通過分級互鎖結構設計獲得高靈敏和寬線性傳感的柔性壓力傳感器

靈敏度高、線性傳感范圍寬的柔性壓力傳感器在機器人觸覺、健康監測、可穿戴設備領域具有重要應用。構筑微結構可以提高傳感器的靈敏度，但由于軟材料在壓力作用下的結構硬化問題使傳感器的響應逐漸飽和，導致器件呈現較窄的傳感范圍和顯著的非線性響應。

針對這一問題，來自南方科技大學的郭傳飛教授團隊設計了由微穹頂陣列與帶有次級微柱的微穹頂（分級微穹頂）陣列而形成的一種分級互鎖結構，有效提升界面結構的可壓縮性，顯著降低結構硬化，實現柔性壓力傳感器的高靈敏度（49.1 kPa^-1）、線性響應（相關系數R²>0.995）和寬傳感范圍的統一（~485 kPa）。傳感器的響應/恢復時間小于5 ms，可以檢測頻率高達200 Hz的振動刺激，顯示出良好的動態響應特性。將傳感器用于機械手的抓取任務中，結合機器學習，幫助機械手識別被抓取物體的重量，提升機器人觸覺感知能力。相關工作以“Graded Interlocks for Iontronic Pressure Sensors with High Sensitivity and High Linearity over a Broad Range"為題發表于國際期刊《ACS Nano》。

該研究使用面投影微立體光刻技術（nanoArch S130，摩方精密）打印具有微穹頂結構以及分級微穹頂結構的樹脂作為模具，進一步地，通過模板法獲得具有微穹頂結構的環氧樹脂/Au電極及離子膜。打印模具尺寸：9 mm×9 mm×1.5 mm，單個微穹頂尺寸（電極模具）：寬290 μm，高480 μm；次級微柱尺寸（離子膜模具）：直徑28 μm，高70 μm。每層打印精度設置為5 μm，以實現分級互鎖結構的高精度、定制化打印。

這項工作為制造具有高靈敏度、高線性度和寬壓力響應范圍的柔性壓力傳感器提供了一種策略，在未來的觸覺器件中具有廣闊的應用前景。

圖1. 分級互鎖結構的可壓縮性及器件傳感原理

分級互鎖結構由微穹頂結構與帶有次級微柱的微穹頂結構組成。微柱在分級互鎖結構中具有重要作用。一方面，它提高了結構的可壓縮性，減少結構硬化，使應力分布更均勻，有助于實現線性形變；另一方面，微柱結構的引入減小了電極與離子膜之間的起始接觸面積，可有效提高了器件的靈敏度（圖1）。

圖2. 分級互鎖型柔性壓力傳感器的制備

該研究使用面投影微立體光刻技術打印具有微穹頂結構以及分級微穹頂結構的樹脂作為模具。進一步地，通過模板法獲得具有微穹頂結構的環氧樹脂/Au電極及離子膜，并與平面電極PET/Au組合、封裝，獲得分級互鎖型器件（圖2）。

圖3. 分級互鎖型柔性壓力傳感器的傳感性能

分級互鎖結構的設計實現了器件的高靈敏度、高線性度及寬傳感范圍的統一，同時提升了器件的響應速度，實現對高頻振動刺激的精準檢測，呈現出良好的動態響應特性（圖3）。

圖4. 分級互鎖型柔性壓力傳感器的線性傳感特性

將該傳感器用于開發線性響應的電子天平，并用于測量幾種未知物體的重量，其輸出結果與商業電子天平的稱量結果幾乎一致，表明了自制電子天平對質量的測量比較準確、可靠，而且無需額外的非線性校準，大大簡化數據處理過程（圖4）。

圖5. 基于機器學習的抓取任務感知與重量識別

柔性壓力傳感器的一個重要應用是為機器人帶來觸覺感知能力，使機器人能夠像人類一樣與外界互動。將分級互鎖型傳感器集成在氣動抓手表面，實現機械手在抓取物體時的觸覺感知；結合機器學習，幫助機械手識別物體的重量（圖5）。

作者：白寧寧