柔性薄膜压力传感器 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
头发丝14粗的“电子皮肤”有什么用？
11月18日，西部（重庆）科学城首届双高赛璧山赛区初赛举办，可任意折叠的传感器、15秒就能止血的海绵、便于携带的体检器……31个项目进行了现场“路演”。
路演现场
“电子皮肤”厚度只有头发的1/4
“我们的传感器可以做成‘布料’，它的柔韧性好，厚度只有0.03毫米，相当于头发丝的1/4，被称为‘电子皮肤’。”路演现场，一款柔性薄膜压力传感器，引起了评审注意。
柔性薄膜压力传感器
目前，这款传感器已经被做成了床垫，用于采集人体的对传感器的压力数据。
“比如，颈椎和腰椎对床产生的压力不够，就证明这两个地方可能出了问题，影响睡眠。”相关负责人表示，通过数据分析，系统能得出人体的曲线数据，从而进行床垫的私人订制。
此外，一款止血海绵也受到好评。毛细血管出血，这款海绵15秒以内就能止住。
据悉，本次大赛面向全市创新创业主体及成渝两地高校优秀创业企业（及项目），历经为期一月的参赛报名、网络初赛、赛前培育等环节，最终31个优秀项目代表在决赛中激烈角逐。本次大赛中表现优异的项目落户璧山，将有机会优先享受璧山区科技入库奖励、种子基金支持等相关优惠政策，同时可享受重科加速器技术转移与成果转化、招商融资、政策落实等多项孵化辅导服务。
重科大科技创新加速器落户璧山
重科大加速器开园
当天下午，重科大科技创新加速器举行开园仪式。重庆科技学院副校长肖大志表示，加速器以“促进科技成果转化、赋能科技企业加速”为宗旨，以技术转移和成果转化为核心，按照“科技创新孵化+科技成果转化+科技金融催化”的三轮驱动模式，推动催生更多的高新技术企业和高成长性企业在加速器落地生根、快速成长。
加速器的建成和开园吸引了来自全市优秀企业落地璧山，其中创造了6项技术世界第一的重庆固桥智能科技研究院等多家优秀企业代表现场举行了落地签约仪式。
同时活动邀请了来自四川大学、重庆大学、电子科技大学、西南交通大学等成渝高校博士教授，以及多家投融资机构代表，现场举行了投融资机构合作签约仪式及导师受聘仪式。
据悉，重科加速器是璧山国家高新区重点建设项目，由重科加速创业孵化器有限公司进行专业化、市场化运营。加速器主要面向“智能制造、电子信息、大健康”等先进领域科技型企业，致力于建成高校科技成果展示交易高地及转移转化的示范平台。
上游新闻·重庆晨报 陈竹
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