压力传感器 薄膜 复旦团队研发柔性压力传感薄膜，每秒可反馈30多个数据点
复旦团队研发柔性压力传感薄膜，每秒可反馈30多个数据点
近日，复旦大学团队研发出一款能胜任各类日常使用场景的通用型柔性压力传感薄膜。
该传感膜具有较薄的厚度（0.7mm），可感知范围从人体轻微抚摸到激烈碰撞（1.84Pa 至 530kPa），每秒可反馈 30 多个数据点，低压力区间灵敏度达到 9.89kPa-1，且在 1 万次循环测试后并未表现出性能衰减。
整体来看，这款柔性压力传感薄膜兼具极宽的压力传感范围与优异的灵敏度。由于这款器件的形态是柔软的薄膜，因此可被轻松部署于多种设备的内部或表面。
另外，由于其性能覆盖范围较广，在实际应用中不需要进行选型和适配，因此，几乎可以胜任所有日常场景。
在相关论文中，研究团队演示了这款传感器检测指尖按压等微小力的能力，还演示了它在日常行走等场景下检测大区间波动压力的能力。
该团队负责人认为，随着传感器体积的不断减小，未来这款器件可以更好地与各类其他器件相结合，实现更智能、更友好的人机交互，从而用于虚拟现实、健康关怀等领域。
据介绍，柔性材料具有更加优异的弹性，能在受到外力时产生更大的本体形变，从而实现更高的传感灵敏度。
同时，由于其材料柔软，在与人体交互时，可以提供更友好、更舒适的反馈，因此非常适合用于力学传感。
另外，传统压力传感器的最终产品形态是一整块金属，其体积通常大于 8 立方厘米，柔性压力传感器则是一层柔软的弹性薄膜。因此，无论从成本还是形态而言，后者都是一类更为理想的传感器。
但是，该领域目前面临的一个问题是：这类传感器的几个主要参数比如灵敏度、量程、响应时间等，很难同时达到良好的水平。因此，虽然已经出现不少创新性研究成果，但在实际应用中依旧难以落地。
为了寻求突破，研究团队在传感器设计过程中，同时考虑了灵敏度、量程、稳定性、响应时间、检测限、薄膜厚度等六个影响使用的关键参数。
这六个参数其实是互相制约的，比如高灵敏度会限制检测限和传感量程，而要想实现较大的传感量程则需要通过提高器件厚度来实现。但是，弹性材料厚度的增加，会延长变形后的恢复时间，降低响应时间等。
为此，研究团队受人体手部皮肤的传感方式的启发，从材料的结构和弹性模量这两个维度进行协同设计。
在材料结构上，研究人员制备了具有阵列微结构的非对称互锁结构，该结构如同在碗口蒙了一张紧绷的牛皮。
当在其上放置一颗苹果，如果苹果上受到压力，就会使牛皮发生变形，从而获得传感信号。因为只有空气阻力，所以这款传感器表现出非常优异的检测限与灵敏度。
在弹性模量设计上，研究人员使传感器在受压方向上，具有从软到硬的梯度分布，尽可能保证传感器在受力越来越大的情况下，其变形的几何增量维持稳定，从而避免信号过快突变，这助力于实现较大的量程和较薄的厚度。
在将这两种设计理念融合之后，让之前的短板得到了补足，从而很好地平衡了不同参数的性能。
（来源：Advanced Functional Materials）
本研究的第一步是确定体系结构。
研究人员最初想借鉴以前工作中的想法，即使用微球阵列来制备小尺寸凹坑/穹顶微结构的方法。但是，在经过一番摸索之后，他们发现，小尺寸的微结构对于传感范围的提升帮助较小。
在调研大量文献之后，研究人员决定采用 3D 打印制备大尺寸模板的方案，并将传统的对称结构改进为非对称互锁结构，从而为本次传感器超宽的传感范围提供了基础。
本研究的第二步是选择传感机理。
在综合考虑目前柔性传感中的主流传感机制之后，研究人员认为电容式传感信号比较稳定，结构也相对简单，与此前设计的非对称互锁梯度模量结构十分契合。
确定传感机制之后，还需要进行中间介电层的材料选取。期间，研究人员使用了结构化电极的交联工艺，通过大量的样品制备和性能测试，最终模仿人体皮肤，设计了结构化电极和介电层梯度弹性模量的结构。
经过上述设计，非对称互锁结构可以确保高灵敏度并实现超宽范围的压力监测。
本研究的最后一步是在实际应用中展示该器件的性能。
研究团队聚焦于如今办公族和职业电竞选手逐年高发的手部疾病问题，研制并搭建了一个集识别、反馈和调节为一体的智能可调节鼠标。
得益于该传感器的优异性能，这款智能鼠标在使用时，能够进行实时自我调节，从而有助于缓解使用者手部的长期使用疲劳。这为下一代柔性传感在健康医疗和人机交互领域的应用提供了新的思路。
最终，相关论文以《用于超宽压电容压力传感应用的具有模量梯度的不对称互锁结构》（An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications）为题发在 Advanced Functional Materials[1]。
图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
复旦大学博士生马言是第一作者，复旦大学石澜青年副研究员和武利民教授担任共同通讯作者。
图 | 石澜（来源：石澜）
研究中，研究人员还迸发出一个非常奇妙的新灵感，该灵感使他们有希望实现一种迄今为止从未有过的新型压力传感器，它的独特特性可能会为整个行业注入新的活力。
“然而，为了保持研究的创新性，具体信息我们暂时还不能透露。”石澜表示。
研究人员还谈到，在进行柔性压力传感的研究中，有时候会有一种无从下手的感觉，因为目前这一领域给人一种仿佛所有问题都已解决，但又仿佛都没有解决的感觉。
具体而言，柔性材料内部相对松散的分子结构使其在实验室条件下展现出许多令人惊叹的性能，然而在大规模生产的条件下，要实现高度一致性与传感精度却充满挑战。
正是这一特性让这类器件距离真正走进千家万户还需要走很长的路。“因此，我想呼吁学界和业界能更频繁地交流，共同探讨应用难题的解决方案。唯有如此，才能更好地将科研成果转化为切实可行的产品。”石澜表示。
参考资料：
1.Ma, Y., Li, Z., Tu, S., Zhu, T., Xu, W., Chen, M., ... & Wu, L. (2023). An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications. Advanced Functional Materials, 2309792.
运营/排版：何晨龙
穹形结构液态金属薄膜：超柔性可拉伸压力传感器阵列
随着物联网和机器人技术的迅速发展，不断涌现出各种高灵敏度、低检测极限、快速响应的压力传感器。然而，如何使压力传感器同时具备优异的电学性能和机械拉伸性能仍然是该领域面临的挑战。
液态金属天然具有金属导电性以及常温下的流动性，近年来在柔性器件领域得到广泛应用。最近，
该传感器由两层嵌于Ecoflex弹性体中的液态金属薄膜电极组成，其中顶层电极具有增加灵敏度的穹形结构。由于液态金属较大的黏度，对于超小超薄的通道难以通过注射的方式填充，而其流动性又进一步增加了制备含三维结构器件的难度。该研究工作采用先分层加工的方式封装液体金属薄膜，后利用负压创造穹形结构的方法克服了这一技术挑战，实现了在弹性体基底上可重复地制备阵列式穹形结构的液态金属薄膜电极。
由于传感器单元独特的穹形结构电极，在拉伸状态下，应变主要集中于平面薄膜部分，而非穹形突起部分，因此该传感器检测的压力信号不易受到拉伸形变的干扰。同时，由于传感器的电容式传感机理以及Ecoflex良好的密封性，该传感器基本可以免疫环境因素的干扰，在各种温度和湿度条件下保持优良的压力传感性能。
这种穹形结构的电极可以降低在外力作用下各传感单元之间的机械干扰，因此，该传感器阵列可以对不同类型的荷载（集中/分散）进行受力分析，以推测施力物的轮廓特征。该传感器阵列还可以用于人体姿势的检测。比如，不同颈部姿势下，传感器各单元检测到的压力会发生变化。通过记录不同颈部姿势下传感器检测到的压力分布状态，可以由传感器的输出信号反推颈部姿势，进而可用于对接受康复训练的患者进行颈部姿势的检测，并提供及时的提醒。
该研究设计制备了一种穹形结构液态薄膜电极，以及低成本、易操作的可拉伸压力传感器阵列，为柔性传感领域的器件制备提供了一种新的参考方案。
参考文献：
YiqiuZhang, Sidi Liu, Yihui Miao, Han Yang, Xuyue Chen, Xiang Xiao, Zhongyun Jiang,Xinjian Chen, Baoqing Nie,* and Jian Liu*, A Highly Stretchable and SensitivePressure Sensor Array Based on Icicle-Shaped Liquid Metal Film Electrodes. ACSApplied Materials & Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.0c04939)
来源：名称：材料科学前沿 ID：MaterialFrontiers
相关问答
tek scan 薄膜传感器 原理?传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、...
薄膜压力传感器 可以用于称重么?是的,薄膜压力传感器可以用于称重。薄膜压力传感器通过测量被测物体所施加的力来确定重量。当物体被放置在传感器的薄膜表面上时,物体的重力会导致薄膜产生微...
薄膜压力传感器 有什么用的?[回答]薄膜压力传感器CYB-1B14主要应用于井下高温流体压力检测;薄膜压力传感器CYB-1B30主要用于工业自动化控制;薄膜压力传感器CYB-1B19主要应用于深井...
薄膜传感器 是什么?[回答]薄膜压力传感器是采用近代薄膜技术制造而成的,利用离子束溅射技术在弹性体上淀积薄膜应变电阻,取代了一般金属传感器中的粘贴工艺,消除了胶层引起的...
TECKSCAN 薄膜压力传感器 显示的是波形图，怎么读取所测得压力...[最佳回答]美国Tekscan接触压力分布系统/薄膜压力传感器美国Tekscan公司开发研制的压力分布测量系统为许多行业提供了一种先进的诊断工具,可广泛应用于多种领...
手机气压 传感器 原理?手机气压传感器利用压阻式传感器原理工作。传感器内部有一个微小的薄膜,当外部气压变化时,薄膜会产生微小的弯曲。薄膜上覆盖有电阻,弯曲会导致电阻值发生变化...
溅射 薄膜压力传感器 量程如何调整?溅射薄膜压力传感器的量程调整可以通过以下方法进行:1.利用调节阻值:传感器输出信号的幅值与电桥电路中的电阻有关。可以通过调节电桥电路中的电阻值,来改变...
气压 传感器 原理?空气压缩机的气压传感器主要的传感元件是一个对气压传感器内的强弱敏感的薄膜和一个顶针开控制,电路方面它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压力降低或升...
很着急，关于 压力传感器 的，有懂得帮各忙吧_汽配人问答[最佳回答]我给你发消息你看不到啊?你说的传感器30~80MPA很大,一般压力扩散硅、陶瓷、电容的都不行,只有用溅射薄膜压力变送器!他是属于高压范围,不过你测...
进气管 压力传感器 如何检测?1.通过进气管压力传感器可以有效地检测进气管中的压力情况。2.进气管压力传感器的工作原理是利用压力传感器将进气管中的压力转化为电信号,然后通过电信号的...