中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
近日，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款能勝任各類(lèi)日常使用場(chǎng)景的通用型柔性壓力傳感薄膜。
該傳感膜具有較薄的厚度（0.7mm），可感知范圍從人體輕微撫摸到激烈碰撞（1.84Pa 至 530kPa），每秒可反饋 30 多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，低壓力區(qū)間靈敏度達(dá)到 9.89kPa-1，且在 1 萬(wàn)次循環(huán)測(cè)試后并未表現(xiàn)出性能衰減。
整體來(lái)看，這款柔性壓力傳感薄膜兼具極寬的壓力傳感范圍與優(yōu)異的靈敏度。由于這款器件的形態(tài)是柔軟的薄膜，因此可被輕松部署于多種設(shè)備的內(nèi)部或表面。
另外，由于其性能覆蓋范圍較廣，在實(shí)際應(yīng)用中不需要進(jìn)行選型和適配，因此，幾乎可以勝任所有日常場(chǎng)景。
在相關(guān)論文中，研究團(tuán)隊(duì)演示了這款傳感器檢測(cè)指尖按壓等微小力的能力，還演示了它在日常行走等場(chǎng)景下檢測(cè)大區(qū)間波動(dòng)壓力的能力。
該團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人認(rèn)為，隨著傳感器體積的不斷減小，未來(lái)這款器件可以更好地與各類(lèi)其他器件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更智能、更友好的人機(jī)交互，從而用于虛擬現(xiàn)實(shí)、健康關(guān)懷等領(lǐng)域。
據(jù)介紹，柔性材料具有更加優(yōu)異的彈性，能在受到外力時(shí)產(chǎn)生更大的本體形變，從而實(shí)現(xiàn)更高的傳感靈敏度。
同時(shí)，由于其材料柔軟，在與人體交互時(shí)，可以提供更友好、更舒適的反饋，因此非常適合用于力學(xué)傳感。
另外，傳統(tǒng)壓力傳感器的最終產(chǎn)品形態(tài)是一整塊金屬，其體積通常大于 8 立方厘米，柔性壓力傳感器則是一層柔軟的彈性薄膜。因此，無(wú)論從成本還是形態(tài)而言，后者都是一類(lèi)更為理想的傳感器。
但是，該領(lǐng)域目前面臨的一個(gè)問(wèn)題是：這類(lèi)傳感器的幾個(gè)主要參數(shù)比如靈敏度、量程、響應(yīng)時(shí)間等，很難同時(shí)達(dá)到良好的水平。因此，雖然已經(jīng)出現(xiàn)不少創(chuàng)新性研究成果，但在實(shí)際應(yīng)用中依舊難以落地。
為了尋求突破，研究團(tuán)隊(duì)在傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中，同時(shí)考慮了靈敏度、量程、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間、檢測(cè)限、薄膜厚度等六個(gè)影響使用的關(guān)鍵參數(shù)。
這六個(gè)參數(shù)其實(shí)是互相制約的，比如高靈敏度會(huì)限制檢測(cè)限和傳感量程，而要想實(shí)現(xiàn)較大的傳感量程則需要通過(guò)提高器件厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，彈性材料厚度的增加，會(huì)延長(zhǎng)變形后的恢復(fù)時(shí)間，降低響應(yīng)時(shí)間等。
為此，研究團(tuán)隊(duì)受人體手部皮膚的傳感方式的啟發(fā)，從材料的結(jié)構(gòu)和彈性模量這兩個(gè)維度進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。
在材料結(jié)構(gòu)上，研究人員制備了具有陣列微結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)互鎖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如同在碗口蒙了一張緊繃的牛皮。
當(dāng)在其上放置一顆蘋(píng)果，如果蘋(píng)果上受到壓力，就會(huì)使牛皮發(fā)生變形，從而獲得傳感信號(hào)。因?yàn)橹挥锌諝庾枇Γ赃@款傳感器表現(xiàn)出非常優(yōu)異的檢測(cè)限與靈敏度。
在彈性模量設(shè)計(jì)上，研究人員使傳感器在受壓方向上，具有從軟到硬的梯度分布，盡可能保證傳感器在受力越來(lái)越大的情況下，其變形的幾何增量維持穩(wěn)定，從而避免信號(hào)過(guò)快突變，這助力于實(shí)現(xiàn)較大的量程和較薄的厚度。
在將這兩種設(shè)計(jì)理念融合之后，讓之前的短板得到了補(bǔ)足，從而很好地平衡了不同參數(shù)的性能。
（來(lái)源：Advanced Functional Materials）
本研究的第一步是確定體系結(jié)構(gòu)。
研究人員最初想借鑒以前工作中的想法，即使用微球陣列來(lái)制備小尺寸凹坑/穹頂微結(jié)構(gòu)的方法。但是，在經(jīng)過(guò)一番摸索之后，他們發(fā)現(xiàn)，小尺寸的微結(jié)構(gòu)對(duì)于傳感范圍的提升幫助較小。
在調(diào)研大量文獻(xiàn)之后，研究人員決定采用 3D 打印制備大尺寸模板的方案，并將傳統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)為非對(duì)稱(chēng)互鎖結(jié)構(gòu)，從而為本次傳感器超寬的傳感范圍提供了基礎(chǔ)。
本研究的第二步是選擇傳感機(jī)理。
在綜合考慮目前柔性傳感中的主流傳感機(jī)制之后，研究人員認(rèn)為電容式傳感信號(hào)比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，與此前設(shè)計(jì)的非對(duì)稱(chēng)互鎖梯度模量結(jié)構(gòu)十分契合。
確定傳感機(jī)制之后，還需要進(jìn)行中間介電層的材料選取。期間，研究人員使用了結(jié)構(gòu)化電極的交聯(lián)工藝，通過(guò)大量的樣品制備和性能測(cè)試，最終模仿人體皮膚，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)化電極和介電層梯度彈性模量的結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)，非對(duì)稱(chēng)互鎖結(jié)構(gòu)可以確保高靈敏度并實(shí)現(xiàn)超寬范圍的壓力監(jiān)測(cè)。
本研究的最后一步是在實(shí)際應(yīng)用中展示該器件的性能。
研究團(tuán)隊(duì)聚焦于如今辦公族和職業(yè)電競(jìng)選手逐年高發(fā)的手部疾病問(wèn)題，研制并搭建了一個(gè)集識(shí)別、反饋和調(diào)節(jié)為一體的智能可調(diào)節(jié)鼠標(biāo)。
得益于該傳感器的優(yōu)異性能，這款智能鼠標(biāo)在使用時(shí)，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)自我調(diào)節(jié)，從而有助于緩解使用者手部的長(zhǎng)期使用疲勞。這為下一代柔性傳感在健康醫(yī)療和人機(jī)交互領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。
最終，相關(guān)論文以《用于超寬壓電容壓力傳感應(yīng)用的具有模量梯度的不對(duì)稱(chēng)互鎖結(jié)構(gòu)》（An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials[1]。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Functional Materials）
復(fù)旦大學(xué)博士生馬言是第一作者，復(fù)旦大學(xué)石瀾青年副研究員和武利民教授擔(dān)任共同通訊作者。
圖 | 石瀾（來(lái)源：石瀾）
研究中，研究人員還迸發(fā)出一個(gè)非常奇妙的新靈感，該靈感使他們有希望實(shí)現(xiàn)一種迄今為止從未有過(guò)的新型壓力傳感器，它的獨(dú)特特性可能會(huì)為整個(gè)行業(yè)注入新的活力。
“然而，為了保持研究的創(chuàng)新性，具體信息我們暫時(shí)還不能透露?！笔癁懕硎?。
研究人員還談到，在進(jìn)行柔性壓力傳感的研究中，有時(shí)候會(huì)有一種無(wú)從下手的感覺(jué)，因?yàn)槟壳斑@一領(lǐng)域給人一種仿佛所有問(wèn)題都已解決，但又仿佛都沒(méi)有解決的感覺(jué)。
具體而言，柔性材料內(nèi)部相對(duì)松散的分子結(jié)構(gòu)使其在實(shí)驗(yàn)室條件下展現(xiàn)出許多令人驚嘆的性能，然而在大規(guī)模生產(chǎn)的條件下，要實(shí)現(xiàn)高度一致性與傳感精度卻充滿(mǎn)挑戰(zhàn)。
正是這一特性讓這類(lèi)器件距離真正走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)還需要走很長(zhǎng)的路。“因此，我想呼吁學(xué)界和業(yè)界能更頻繁地交流，共同探討應(yīng)用難題的解決方案。唯有如此，才能更好地將科研成果轉(zhuǎn)化為切實(shí)可行的產(chǎn)品?！笔癁懕硎尽?/p>
