材料系郭传飞课题组研制出最高压力分辨率的柔性压力传感器

2019-12-26

 

       柔性压力传感器类似于人的皮肤,能感知外界力刺激的强度,可以帮助机器人实现触觉,也在人体健康监测等诸多领域有广泛的应用。然而,无论是人的皮肤还是柔性压力传感器(或电子皮肤),都普遍存在一个严重的缺点,即在低压下较为灵敏,压力较大时变得不灵敏甚至完全不响应。例如,人手可以感受到一只小昆虫在手上爬行;但是当手端着重物,昆虫再落到重物上时,皮肤则完全感受不到。许多实际应用需要一种这样的压力传感器:既能感受到轻如“鸿毛”,又能称量出重如“泰山”,还能分辨出“泰山”上新增了一片“鸿毛”。但受到软材料不可压缩或可压缩性有限的制约,之前人们还没有做出这样的传感器。

       近日,材料系郭传飞课题组在柔性压力传感器的研究上取得重大突破。他们通过设计一种“自补偿非稳态结构”并引入离子界面传感原理,成功地解决电容型压力传感器在高压下灵敏度极低或发生饱和的难题。他们研究的这种传感器在低压下可以分辨出0.08 Pa的压力变化,而在3.2个大气压的极高压力下也还可以分辨出18 Pa的压力变化,在高压下的压力分辨率甚至超过了航空工业上普遍使用的硬质压力测试系统,因此这种传感器有望用于风洞测试中飞机模型的智能蒙皮。其灵敏度极高,在高压区的灵敏度超出之前已报道的最好结果的一万倍以上。该传感器还具有响应速度快的优势,响应速度达到9 ms,是人皮肤响应速度的3倍,即使在数个大气压下也具有极佳的动态响应特性。由于这种传感器具有极高的信号强度,其微型化之后还能保持很高的信噪比,研究人员在芝麻粒大小的区域上即集成了数十个这种传感器,有望用于极高空间分辨的压力传感。

图1、 基于自补偿非稳态结构的离子电容微型传感器阵列

图2、 基于自补偿非稳态结构的离子电容型压力传感器与现有电容传感器的灵敏度对比

       该工作近日在线发表在Nature Communications期刊上。论文的第一作者为博士生白宁宁,合作方为麻省理工学院赵选贺教授。研究得到了国家自然科学基金、广东省珠江人才计划创新创业团队、深圳市基础研究学科布局等项目的支持。

      论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-019-14054-9