薄膜压力传感器 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

两种常用的压力传感器介绍

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出，所以被最常应用在工业领域中。

随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生，其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。

压力传感器的种类很多，根据不同的分类标准可以分成不同种类。下面为大家介绍两种最为常见的压力传感器：

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扩散硅式压力传感器

扩散硅压力传感器工作原理是基于压阻效应，利用压阻效应原理，被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，利用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

扩散硅压力传感器体积小、重量轻，性能稳定，适合制作小量程的变送器，主要应用于过程控制系统、压力校准仪器、液压系统、生物医药仪器、液压系统及阀门、液位测量、制冷设备和 HVAC 控制等行业。

2、电容式压力传感器

电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。

电容式压力传感器具有输入能量低，高动态响应，自然效应小，环境适应性好等特点。其中，陶瓷电容压力传感器因其耐腐蚀、抗冲击、无迟滞、介质兼容性强等优势可以广泛应用在水、气、液多种介质的压力检测。

压力是生产生活中的重要参数之一，压力传感器也广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

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