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內(nèi)容概覽

現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)

大面積制造困難：現(xiàn)有柔性壓力傳感陣列在大面積生產(chǎn)中難以實(shí)現(xiàn)高一致性。

穩(wěn)定性不足：導(dǎo)電層易脫落，長(zhǎng)時(shí)間使用后傳感器陣列穩(wěn)定性降低。

串?dāng)_問題：陣列中傳感器單元間存在信號(hào)干擾，影響測(cè)量精度。

靈敏度與檢測(cè)范圍的矛盾：現(xiàn)有技術(shù)難以在保持高靈敏度的同時(shí)，適應(yīng)寬廣的壓力范圍。

創(chuàng)新點(diǎn)

仿生多級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)：

受章魚觸手吸盤啟發(fā)，通過多級(jí)穹頂微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)靈敏度與壓力范圍的可編程控制。

多級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)受壓逐漸接觸電極，提供高靈敏度和寬壓力檢測(cè)范圍。

可編程與定制化：靈敏度范圍可調(diào)（0.15~0.29 kPa^?1），壓力范圍靈活（10~100 kPa），線性工作范圍可變（0~7 kPa至0~40 kPa之間）。

嵌入式導(dǎo)電層：

將銀納米線導(dǎo)電層嵌入PDMS微結(jié)構(gòu)中，顯著提升傳感器耐久性（22,000次循環(huán)后性能仍穩(wěn)定）。

低串?dāng)_設(shè)計(jì)：支撐隔離結(jié)構(gòu)降低傳感器陣列的串?dāng)_系數(shù)（從0.87降至26.62 dB），有效提高傳感精度。

高精度制造工藝：采用噴涂與壓印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)多像素陣列生產(chǎn)，高一致性和可擴(kuò)展性顯著增強(qiáng)。

應(yīng)用場(chǎng)景

人機(jī)交互：精確檢測(cè)觸摸動(dòng)作，用于智能交互設(shè)備。

電子皮膚：賦予機(jī)器人觸覺感知，提升復(fù)雜環(huán)境中的操作能力。

醫(yī)學(xué)康復(fù)：用于監(jiān)測(cè)人類肌肉活動(dòng)，支持康復(fù)訓(xùn)練與健康診斷。

圖像識(shí)別：通過空間壓力分布實(shí)現(xiàn)三維形貌測(cè)量。

總結(jié)

這項(xiàng)研究通過仿生設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)，提出了一種具有高靈敏度、高穩(wěn)定性、低串?dāng)_、高一致性和可定制性能的柔性壓力傳感陣列。其創(chuàng)新點(diǎn)包括多級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)、嵌入式導(dǎo)電層及支撐隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功解決了傳統(tǒng)柔性陣列的制造一致性、信號(hào)穩(wěn)定性和性能調(diào)節(jié)難題。該技術(shù)在人機(jī)交互、醫(yī)學(xué)康復(fù)和電子皮膚等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，為未來高性能柔性傳感器的發(fā)展提供了重要參考。

文章名稱：Biomimetic Contact Behavior Inspired Tactile Sensing Array with Programmable Microdomes Pattern by Scalable and Consistent Fabrication

期 刊：Advances Science

文章DOI：

https://doi.org/10.1002/advs.202408082

通訊作者：西安交通大學(xué)邵金友（Jinyou Shao）、田洪淼（Hongmiao Tian）

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圖文簡(jiǎn)介

多級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)傳感器的靈感與感知機(jī)制

受章魚觸手的啟發(fā)，該文提出了一種基于多尺寸穹頂?shù)目删幊谈兄佑|面的傳感結(jié)構(gòu)。該文制造的嵌入式微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器陣列與其他文獻(xiàn)中的傳感器進(jìn)行了比較（圖1i）。可以看出：

利用多級(jí)結(jié)構(gòu)的逐步接觸傳感原理，可以提高大壓力范圍的靈敏度。仿生多級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)在加壓時(shí)逐漸接觸電極表面，突破了在大靈敏范圍下保持高靈敏度的局限；

在壓印過程中將導(dǎo)電材料嵌入微穹頂結(jié)構(gòu)中，以提高穩(wěn)定性，而高精度的壓印工藝能夠解決多像素陣列大面積擴(kuò)展中各單元一致性差的問題；

支撐隔離結(jié)構(gòu)有效提高了傳感器陣列的串?dāng)_抗性。支撐隔離結(jié)構(gòu)減少了傳感器單元之間的應(yīng)變傳遞，限制了由應(yīng)變傳遞引起的機(jī)械變形，從而抑制了傳感器陣列之間的信號(hào)串?dāng)_現(xiàn)象；

可模壓成型的多像素高精度柔性壓力傳感器陣列的制造工藝確保了傳感器單元性能的一致性，提高了傳感器陣列的整體一致性。

圖1. 受章魚啟發(fā)的多級(jí)穹頂結(jié)構(gòu)傳感器的傳感機(jī)制及性能。a,b) 章魚觸手的傳感示意圖。c) 穹頂微結(jié)構(gòu)組合的示意圖。d) 嵌入式柔性壓力傳感陣列與多級(jí)穹頂微結(jié)構(gòu)的示意圖。e,f) 嵌入式多級(jí)穹頂微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電原理。g) 多級(jí)穹頂微結(jié)構(gòu)的尺寸示意圖及掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。h) 基于多級(jí)結(jié)構(gòu)的大型傳感器陣列。i) 所提出的嵌入式柔性傳感器陣列與其他傳感器陣列的性能比較。

觸覺傳感陣列的制造過程與表征

對(duì)于傳感器陣列而言，實(shí)現(xiàn)傳感器單元敏感結(jié)構(gòu)的高一致性和大面積制造是獲得傳感器陣列高精度性能的前提，其制造流程如圖2a所示。在該研究中，銀納米線的導(dǎo)電層通過噴涂和成型工藝嵌入到PDMS穹頂?shù)奈⒔Y(jié)構(gòu)層中，并可控地制造出微結(jié)構(gòu)的柔性壓力敏感導(dǎo)電薄膜。交指電極則采用電子束蒸發(fā)涂層技術(shù)制造，壓力敏感薄膜與交指電極通過熱壓工藝進(jìn)行粘合和封裝。

噴涂工藝在制造過程中具有較高的一致性和穩(wěn)定性。在噴涂后，測(cè)量了24個(gè)e）。

圖2. 觸覺傳感陣列的制造過程與表征。a) 傳感器陣列的制造過程。b) 在印刷前后模具表面銀納米線分布的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。c) 導(dǎo)電層中銀納米線的平方電阻分布。d) 半球微結(jié)構(gòu)中元素的分布。e) 靈活壓力傳感陣列的彎曲與折疊展示。

傳感單元的感知特性

圖3. 傳感單元的傳感特性。a) 抗串?dāng)_的支撐隔離結(jié)構(gòu)示意圖。b) 傳感單元的靈敏度曲線。c) 在40 kPa壓力下，傳感單元的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。d) 在不同壓力下，傳感單元的響應(yīng)曲線。e) 在各種壓力下，傳感單元的I-V曲線。f) 在15 kPa下進(jìn)行22,000次重復(fù)循環(huán)的傳感陣列的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。g) 對(duì)不同圓頂直徑（D = 200 μm, D = 300 μm, D = 500 μm）的傳感器壓力響應(yīng)測(cè)試。h) 對(duì)不同陣列周期（T = 1 mm, T = 1.5 mm, T = 2 mm）的傳感器壓力響應(yīng)測(cè)試。i) 一級(jí)和三級(jí)復(fù)合圓頂結(jié)構(gòu)的比較。

傳感器陣列的性能與應(yīng)用

圖4. 傳感器陣列的性能與應(yīng)用。a,b) 在50 kPa壓力下，無支撐隔離結(jié)構(gòu)與支撐隔離結(jié)構(gòu)之間信號(hào)串?dāng)_的比較。c) 傳感器陣列對(duì)“XJTU”的壓力圖像識(shí)別。d) 3 × 8陣列壓力傳感器各傳感器單元的響應(yīng)曲線。e) 使用氣刀清潔玻璃的示意圖。f) 氣刀出口流量壓力檢測(cè)。g) 用于氣刀堵塞位置檢測(cè)的柔性壓力傳感器陣列。

結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)醫(yī)療康復(fù)應(yīng)用

用于肌肉檢測(cè)的傳感器陣列信號(hào)處理示意圖如圖5b所示。測(cè)試系統(tǒng)由手掌傳感器陣列、多通道數(shù)據(jù)采集、通信模塊和主機(jī)計(jì)算機(jī)軟件組成。該系統(tǒng)通過識(shí)別手部肌肉力量，可以區(qū)分不同的手部動(dòng)作，并能夠準(zhǔn)確反饋患者手部的精細(xì)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性，成功實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療康復(fù)的應(yīng)用。

圖5. 結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)醫(yī)療康復(fù)應(yīng)用。a) 人手掌的肌肉分布及相應(yīng)傳感單元的設(shè)置。b) 傳感器陣列的傳感信號(hào)處理示意圖。c) 控制油門和操縱桿時(shí)手部的肌肉活動(dòng)。d) 在不同操作動(dòng)作中由不同傳感單元收集的壓力信號(hào)。e) 隨機(jī)森林算法的分類過程。f) 不同操作動(dòng)作的分類結(jié)果。

來源：https://doi.org/10.1002/advs.202408082

來源：高分子科技

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