***、研究背景

柔性觸覺傳感器能夠?qū)⑼獠坑|覺刺激直接轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的電信號(hào)，在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、智能終端等領(lǐng)域備受關(guān)注。根據(jù)工作原理，其主要分為壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式等類型，其中壓阻式傳感器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、信號(hào)采集便捷等優(yōu)勢(shì)而具有吸引力。

在多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景中，柔性觸覺傳感器需同時(shí)具備高靈敏度和寬線性范圍：高靈敏度可確保傳感器具備高壓力分辨率，實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)；寬線性范圍能在較大壓力區(qū)間內(nèi)保持高壓力分辨率，并便于信號(hào)后處理。過去數(shù)十年，科研人員為提升壓阻式觸覺傳感器的靈敏度和線性度付出大量努力，探索了多種填充或表面涂覆導(dǎo)電材料（如碳納米管、MXene、銀納米線等）的導(dǎo)電彈性體作為電阻層。

傳統(tǒng)壓阻式傳感器依賴固體電阻層在壓縮下的體電阻變化，因固體電阻層變形能力低，靈敏度受限。在電阻層構(gòu)建微結(jié)構(gòu)（如微圓頂、微金字塔、微織物、多孔結(jié)構(gòu)等）是提升靈敏度的有效方法，微結(jié)構(gòu)可在極低壓力下引發(fā)接觸電阻的顯著變化。然而，由于軟材料的硬化效應(yīng)，微結(jié)構(gòu)電阻層的變形會(huì)隨壓力增大而持續(xù)減弱，導(dǎo)致傳感器線性范圍受限。雖采用多***或梯度微結(jié)構(gòu)延遲變形衰減能顯著拓寬線性范圍，但靈敏度會(huì)因同等壓力下電阻變化受抑制而不可避免地降低。即便通過協(xié)同構(gòu)建微結(jié)構(gòu)和多導(dǎo)電層可在***定程度上同時(shí)提升靈敏度和線性范圍，但超高靈敏度與超寬線性范圍之間的相互制約仍未得到徹底解決，開發(fā)同時(shí)具備超高靈敏度（如1000 kPa?1以上）和超寬線性范圍（如0-1000 kPa以上）的壓阻式觸覺傳感器仍是***大挑戰(zhàn) 。

二、研究亮點(diǎn)

1. 提出局部梯度導(dǎo)電性（LGC）設(shè)計(jì)，通過在微圓頂結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)電性（高σ）銀納米線（AgNWs）薄膜上部分覆蓋低導(dǎo)電性（低σ）碳/聚二甲基硅氧烷（CPDMS）層，實(shí)現(xiàn)了壓力驅(qū)動(dòng)的串并聯(lián)切換，使低σ和高σ組件在不同壓力區(qū)間分別發(fā)揮主導(dǎo)作用，徹底解決了傳統(tǒng)壓阻式觸覺傳感器中高靈敏度與寬線性范圍相互制約的難題。

2. 優(yōu)化后的傳感器在0-3000 kPa的超寬線性傳感范圍內(nèi)，展現(xiàn)出1546.35 kPa?1的超高靈敏度，這是***次報(bào)道的在如此寬線性范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的壓阻式觸覺傳感器。

3. 傳感器具有良好的重復(fù)性，不同樣品在0-3000 kPa范圍內(nèi)平均靈敏度達(dá)1569.81 kPa?1，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅4.45%；具備出色的穩(wěn)定性，加載和卸載過程中靈敏度分別為1548.67 kPa?1和1547.3 kPa?1，線性范圍均為0-3000 kPa（R2=0.99）；擁有卓越的耐用性，在約1700 kPa的超高壓力下周期性施加超過10000次循環(huán)，信號(hào)強(qiáng)度幾乎無(wú)衰減；響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間低于100 ms，能快速響應(yīng)壓力變化 。

4. 在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)方面，可不受佩戴松緊度影響，可靠檢測(cè)動(dòng)脈脈搏、呼吸、聲音振動(dòng)、身體運(yùn)動(dòng)等各類與壓力相關(guān)的生理信號(hào)；在智能***居領(lǐng)域，能作為高效便捷的指令發(fā)射器，通過不同強(qiáng)度的力輸入組合輸出多種編碼指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同房間照明的控制；在智能車輛領(lǐng)域，可附著于車輪，通過觸覺感知監(jiān)測(cè)車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)（如速度、加速度等）并反映地面信息（如坡度變化、凹凸度等），彌補(bǔ)傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)在非視距條件下的不足 。

三、研究?jī)?nèi)容

（***）LGC基壓阻式觸覺傳感器設(shè)計(jì)原理

LGC由在基于PDMS的微圓頂結(jié)構(gòu)上的高σ AgNWs薄膜局部覆蓋低σ CPDMS構(gòu)成。PDMS/AgNWs微圓頂通過PDMS基凝膠將沉積在微雕刻制造模板上的AgNWs薄膜轉(zhuǎn)移得到，CPDMS的局部覆蓋借助相同微雕刻技術(shù)制造的通孔掩模將CPDMS混合物噴涂在制備好的PDMS/AgNWs微圓頂上實(shí)現(xiàn)。

與傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)壓阻式傳感器依賴接觸電阻變化且線性范圍受接觸面積變化線性度影響不同，LGC設(shè)計(jì)通過壓力增大實(shí)現(xiàn)低σ CPDMS與高σ AgNWs之間獨(dú)特的串并聯(lián)切換，使兩者在不同壓力范圍分別主導(dǎo)。低壓力階段（串聯(lián)階段，SC階段），低σ CPDMS層將高σ AgNWs薄膜與上電極隔離，兩者導(dǎo)電性差異迫使電子在接觸點(diǎn)從低σ CPDMS層向高σ AgNWs薄膜定向傳輸，形成串聯(lián)，此時(shí)低電導(dǎo)率的CPDMS層主導(dǎo)總電流變化。壓力下CPDMS層壓縮，內(nèi)嵌炭黑納米顆粒聚集減少內(nèi)部隧道電阻，隨厚度減小電阻率降低，產(chǎn)生與接觸電阻不同的體電阻變化，兩者協(xié)同作用確保即使接觸面積非線性變化，電流仍線性增加。

高壓力階段（并聯(lián)階段，PC階段），微圓頂變形使上電極與高σ AgNWs薄膜直接接觸，電子除通過CPDMS層外還可直接通過AgNWs薄膜傳輸，形成并聯(lián)，高導(dǎo)電性的AgNWs薄膜主導(dǎo)電流變化，即使微結(jié)構(gòu)變形衰減導(dǎo)致接觸面積變化率顯著降低，仍能維持電流增加率。通過合理關(guān)聯(lián)CPDMS層的覆蓋度和CPDMS層與AgNWs薄膜的導(dǎo)電梯度，可定制全局線性電流變化，實(shí)現(xiàn)超寬線性范圍。同時(shí)，串并聯(lián)切換使低σ CPDMS和高σ AgNWs憑借顯著不同的導(dǎo)電性產(chǎn)生低初始電流和高***終電流，在不依賴微結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的情況下提升靈敏度，且不會(huì)以犧牲靈敏度為代價(jià)拓寬線性范圍 。

（二）LGC配置定制與傳感器性能優(yōu)化

1. 梯度導(dǎo)電性影響：對(duì)比具有梯度導(dǎo)電性（GC）和無(wú)梯度導(dǎo)電性（NGC）傳感器的相對(duì)電流變化，GC傳感器（高σ AgNWs薄膜完全覆蓋低σ CPDMS層）在0-200 kPa寬線性范圍內(nèi)具有1341.95 kPa?1的超高靈敏度，而NGC傳感器（僅CPDMS層或AgNWs薄膜）靈敏度（NGC-CPDMS為201.63 kPa?1，NGC-AgNWs為92.56 kPa?1）和線性范圍（約0-2 kPa）均有限。這是因?yàn)镚C傳感器的梯度導(dǎo)電性降低了電流變化對(duì)接觸電阻的高度依賴，CPDMS壓縮時(shí)體電阻與接觸電阻協(xié)同變化實(shí)現(xiàn)線性電流變化，且梯度導(dǎo)電性同時(shí)帶來(lái)低初始電流和高***終電流，提升靈敏度。但GC傳感器中CPDMS層在高壓下受軟材料硬化效應(yīng)限制，壓縮受限后電流變化受接觸電阻主導(dǎo)而衰減。

2. CPDMS厚度影響：增加GC傳感器中CPDMS層厚度可延遲其壓縮過程，拓寬線性范圍（從24μm厚時(shí)的0-200 kPa增至60μm厚時(shí)的0-320 kPa），但會(huì)導(dǎo)致同等壓力下電阻增大、電流降低，靈敏度顯著下降。綜合考慮，選擇約24μm厚的CPDMS層構(gòu)建LGC，以在保持較寬線性范圍的同時(shí)獲得較高靈敏度。

3. LGC關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化：通過分析GC電阻層機(jī)械變形，確定LGC中CPDMS層覆蓋度約為0.4（基于LGC微圓頂中被覆蓋組件的高度百分比定義）。以此覆蓋度構(gòu)建的LGC?.?@3傳感器（下標(biāo)0.4為低σ CPDMS覆蓋度，3為高σ AgNWs薄膜層數(shù)）在0-3000 kPa超寬線性范圍內(nèi)展現(xiàn)出1546.35 kPa?1的超高靈敏度，且在0-200 kPa壓力區(qū)間與GC@3傳感器電流變化相似，證實(shí)串并聯(lián)切換在約200 kPa壓力下按設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。高σ AgNWs組件的導(dǎo)電性需與低σ CPDMS匹配，以確保串聯(lián)和并聯(lián)階段電流變化率***致，實(shí)現(xiàn)全局線性；CPDMS層覆蓋度過低會(huì)導(dǎo)致高壓組件過早與上電極接觸，使電流提前飽和，過高則延遲高壓組件主導(dǎo)作用，導(dǎo)致串聯(lián)階段電流變化衰減，覆蓋度約0.4為***優(yōu)選擇 。

（三）LGC基傳感器性能表征

1. 微小壓力響應(yīng)：在不同預(yù)加載壓力（約1、10、100、900、1800 kPa）下，傳感器能很好地識(shí)別數(shù)十帕至數(shù)十千帕的微小壓力變化，證明其在全壓力范圍內(nèi)可保持高壓力分辨率。

2. 電學(xué)特性：傳感器的I-V曲線呈線性，表明所用導(dǎo)電層導(dǎo)電性良好，符合歐姆定律，且在不同工作電壓下具有出色的電學(xué)穩(wěn)定性。

3. 動(dòng)態(tài)性能：加載和卸載過程中電流變化重復(fù)性好，無(wú)明顯滯后；對(duì)不同壓力的逐步加載和卸載表現(xiàn)出近似相同的穩(wěn)定性；響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間低于100 ms，能快速響應(yīng)壓力變化。

4. 性能對(duì)比：與已報(bào)道的其他傳感器相比，該傳感器是***個(gè)在如此寬的線性范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的壓阻式觸覺傳感器，性能優(yōu)勢(shì)顯著。且通過提高低σ和高σ組件的導(dǎo)電性以及所用彈性體的彈性模量，傳感器性能仍有提升空間 。

（四）LGC基傳感器應(yīng)用演示

1. 醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)：作為可穿戴設(shè)備，傳感器不受佩戴松緊度影響，能可靠檢測(cè)手腕脈搏（可清晰識(shí)別典型波形，如叩擊波、潮波和舒張波，平均頻率約83次/分鐘）、不同呼吸狀態(tài)（可區(qū)分正常呼吸、快速呼吸和咳嗽）、聲音振動(dòng)（附著于頸部可識(shí)別單音節(jié)和雙音節(jié)單詞的發(fā)音）、關(guān)節(jié)彎曲（附著于肘部可根據(jù)彎曲程度輸出不同強(qiáng)度信號(hào)）以及身體運(yùn)動(dòng)（附著于腳部可區(qū)分站立、行走、跑步和跳躍等動(dòng)作）。

2. 智能***居控制：憑借超高靈敏度和超寬線性范圍，傳感器可通過不同強(qiáng)度的力輸入輸出多種信號(hào)，將其編碼為指令?；?位、2位和3位編碼系統(tǒng)，單個(gè)傳感器可傳輸多種控制指令（如3位編碼系統(tǒng)可傳輸39種不同指令），通過LabView輔助，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)不同房間照明的動(dòng)態(tài)控制，且操作便捷，無(wú)需專業(yè)培訓(xùn)，信號(hào)處理簡(jiǎn)化。

3. 智能車輛地面檢測(cè)：將尺寸約4×4 mm2的傳感器附著于10 kg車輛模型的后輪，在平坦地面上，傳感器信號(hào)強(qiáng)度幾乎不變，通過信號(hào)頻率可反映車輛速度變化，進(jìn)而計(jì)算出車輛運(yùn)行時(shí)的詳細(xì)速度和加速度；傳感器能根據(jù)車輪負(fù)載變化反映地面坡度變化（上坡時(shí)后輪負(fù)載增加，信號(hào)強(qiáng)度整體升高，下坡時(shí)則降低），并可識(shí)別地面凹凸度（凸點(diǎn)會(huì)使傳感器承受額外壓力，信號(hào)強(qiáng)度異常升高，凹點(diǎn)則使壓力減小，信號(hào)強(qiáng)度異常降低），可在非視距條件下補(bǔ)充智能車輛地面檢測(cè)功能 。

四、總結(jié)與展望

本研究提出的局部梯度導(dǎo)電性（LGC）設(shè)計(jì)，通過在微圓頂結(jié)構(gòu)的高σ AgNWs薄膜上部分覆蓋低σ CPDMS層，實(shí)現(xiàn)了壓力驅(qū)動(dòng)的串并聯(lián)切換，成功解決了壓阻式傳感器高靈敏度與寬線性范圍相互制約的難題。低壓力階段，低σ CPDMS層主導(dǎo)電流變化，通過體電阻與接觸電阻協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)線性電流變化；高壓力階段，高σ AgNWs薄膜主導(dǎo)，維持電流增加率，結(jié)合合理的覆蓋度和導(dǎo)電梯度，實(shí)現(xiàn)了0-3000 kPa超寬線性范圍和1546.35 kPa?1超高靈敏度的優(yōu)異性能。傳感器同時(shí)具備良好的重復(fù)性、穩(wěn)定性、耐用性和快速響應(yīng)特性，在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)、智能***居控制和智能車輛地面檢測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，可不受佩戴松緊度影響實(shí)現(xiàn)***生理信號(hào)檢測(cè)，作為高效指令發(fā)射器實(shí)現(xiàn)智能***居控制，還能彌補(bǔ)傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)不足，輔助智能車輛完成地面檢測(cè) 。

未來(lái)可通過提高低σ和高σ組件的導(dǎo)電性，以及增加所用彈性體的彈性模量（延遲微結(jié)構(gòu)變形，使串聯(lián)和并聯(lián)階段的線性電流變化在更寬壓力區(qū)間保持，進(jìn)***步拓寬線性范圍），持續(xù)優(yōu)化傳感器性能。當(dāng)前研究涉及導(dǎo)電性匹配和多步制造等問題，后續(xù)可探索采用原位印刷技術(shù)結(jié)合合適材料，簡(jiǎn)化制備流程，降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)傳感器的規(guī)?；a(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。除現(xiàn)有應(yīng)用外，可進(jìn)***步探索傳感器在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，如機(jī)器人觸覺感知、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互、精密制造檢測(cè)等，充分發(fā)揮其高靈敏度和寬線性范圍的優(yōu)勢(shì)。將傳感器與其他功能模塊（如信號(hào)處理模塊、無(wú)線傳輸模塊等）集成，開發(fā)具備智能化分析和決策能力的觸覺傳感系統(tǒng)，提升其在復(fù)雜場(chǎng)景下的應(yīng)用價(jià)值 。

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