薄膜式传感器 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
盘点6种传感器工作原理，直观易懂
基于热敏元件的温度传感器工作原理主要通过测量物体或环境的温度变化来获得温度信息。常见的热敏元件包括热电阻和热敏电阻，当温度发生变化时，热敏元件的电阻值也相应变化，通过测量电阻值的变化可以推算出温度。
2. 湿度传感器 ：
湿度传感器通常采用电容式原理工作。电容式湿度传感器由两个电极组成，介质是吸湿材料。当空气中的水分含量发生变化时，吸湿材料的湿度也会相应变化，进而改变电容值。通过测量电容值的变化可以计算出湿度值。
3. 压力传感器：
压力传感器一般采用压力敏感元件，如薄膜传感器或应变片等。当受力作用于这些元件时，其形状或尺寸会发生微小变化，通过测量这些变化，可以获得压力信息。薄膜传感器如薄膜电阻应变片，其电阻值会因受到应力而发生变化，通过测量电阻值的变化可以推算出压力。
4. 光照传感器：
光照传感器可以基于光敏二极管或光电二极管的光电效应来工作。当光照射到光敏元件上时，光敏元件的电阻或电流会有相应变化，通过测量这种变化，可以获得光照强度信息。
5. 加速度传感器 ：
加速度传感器常常采用微机械系统（MEMS）技术，利用微小的机械结构基于质量加速度原理工作。当发生加速度或震动时，传感器中的微小质量会发生位移，通过测量这种位移或反馈信号，可以计算出加速度或相关运动信息。
6. 磁力传感器：
磁力传感器基于霍尔效应或磁阻效应工作。常见的磁力传感器包括霍尔传感器和磁阻传感器。霍尔传感器通过测量磁场对霍尔元件引起的霍尔电压变化，来获得磁场强度信息。磁阻传感器则通过测量磁场对磁敏电阻引起的电阻变化，来获得磁场强度信息。
这仅仅是一些常见传感器的工作原理，实际上还有很多其他类型的传感器，每个传感器的工作原理都各有特点。
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