柔性觸覺傳感器能夠測量物理力或壓力，因其對皮膚和曲面的適應(yīng)性，在電子皮膚和人機(jī)界面（HMI）應(yīng)用領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。柔性觸覺傳感器已開發(fā)出多種傳感機(jī)制，包括壓阻式、接觸電阻式、電容式和摩擦電式等。接觸電阻式機(jī)制通過測量壓力作用下接觸面積增大時(shí)接觸電阻的變化來檢測壓力，其優(yōu)勢在于可以通過調(diào)整傳感材料的材料和結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)靈敏度和傳感范圍。 通過將導(dǎo)電納米材料（例如金屬納米線、碳納米管 (CNT) 和MXene）與柔性聚合物（例如聚酰亞胺 (PI) 和聚二甲基硅氧烷 (PDMS) ）集成，已開發(fā)出多種壓力傳感材料。此外，還設(shè)計(jì)了微結(jié)構(gòu)圖案，例如微穹頂、微錐體和分級結(jié)構(gòu)，通過顯著增加受壓時(shí)的接觸面積來提高靈敏度。例如，Ma 等人使用具有微錐體結(jié)構(gòu)的 PDMS/CNT 復(fù)合材料開發(fā)了一種堅(jiān)固且柔性的觸覺傳感器，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度 (0.34 kPa–1)、快速響應(yīng) (～48 ms) 和超低電壓 (100 μV) 工作。該傳感器被集成到指尖佩戴式可穿戴系統(tǒng)中，用于實(shí)時(shí)壓力監(jiān)測，從而可應(yīng)用于假肢感覺反饋和機(jī)器人操作等領(lǐng)域。

近年來，能夠同時(shí)測量壓力幅值和分布的柔性觸覺傳感器陣列因其在復(fù)雜操作任務(wù)以及機(jī)器人和醫(yī)療保健應(yīng)用中的實(shí)時(shí)壓力映射方面的巨大潛力而備受關(guān)注。為了支持這些實(shí)際應(yīng)用，傳感器陣列應(yīng)具備高空間分辨率和傳感單元間性能的一致性，而這需要可重復(fù)且可擴(kuò)展的大面積制造工藝來實(shí)現(xiàn)。Shi等人開發(fā)了一種采用絲網(wǎng)印刷聚(3,4-乙烯二氧噻吩)PSS)和Ecoflex復(fù)合材料的觸覺傳感器陣列。他們還展示了一種具有高重復(fù)性和機(jī)械柔韌性的12×12傳感器陣列，使其適用于可穿戴設(shè)備和機(jī)器人機(jī)械臂。然而，由于絲網(wǎng)印刷工藝的空間分辨率限制，其相對較大的傳感器間距（2.7mm）可能會限制其在需要精細(xì)壓力映射的應(yīng)用中的使用。人指尖可感知的空間分辨率閾值約為1mm，因此，實(shí)現(xiàn)1mm或更小的傳感器間距對于滿足電子皮膚和可穿戴觸覺系統(tǒng)等應(yīng)用的需求至關(guān)重要。為了解決空間分辨率的限制，Li等人采用了一種兩步激光制造工藝來開發(fā)小間距觸覺傳感器陣列。該工藝包括激光誘導(dǎo)石墨烯沉積以形成像素，以及激光燒蝕以創(chuàng)建蛇形互連，從而實(shí)現(xiàn)間距為0.7mm的無串?dāng)_高分辨率傳感器陣列。然而，激光切割仍然是一個(gè)串行工藝，這給高通量、大面積制造帶來了挑戰(zhàn)。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作開發(fā)了一種高分辨率觸覺傳感器陣列，該陣列集成了垂直排列的碳納米管（VACNT）束，實(shí)現(xiàn)了1 mm間距的空間分辨率。

2. VACNT采用化學(xué)氣相沉積法合成，具有優(yōu)異的均勻性，壓力傳感單元之間的差異僅為4.23%。施加壓力時(shí)，暴露的VACNT束與電極之間以及嵌入聚二甲基硅氧烷基質(zhì)中的VACNT之間的接觸面積均增大。

3. 這種雙重接觸機(jī)制使得傳感器在0-100 kPa的壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了40.6 kPa?1的高靈敏度。

4. 利用這些有利特性，成功地展示了一種壓力分布測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠檢測細(xì)微壓力的大小和空間分布。

圖文解析

圖1. 基于圖案化垂直排列碳納米管束的柔性觸覺傳感器陣列。(a) 觸覺傳感器陣列示意圖，該陣列由聚酰亞胺 (PI) 基底上的柔性叉指電極和集成有垂直排列碳納米管束的微結(jié)構(gòu)聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 組成。(b) 觸覺傳感器的壓力傳感機(jī)制。施加壓力時(shí)，電極與基于垂直排列碳納米管的壓力敏感材料之間的接觸面積增大。特別是，電極與微結(jié)構(gòu)上暴露的碳納米管束之間的接觸點(diǎn)顯著增加，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的壓力檢測。(c) 可發(fā)生機(jī)械變形（包括彎曲）的柔性觸覺傳感器陣列照片。(d, e) 高空間分辨率叉指電極陣列照片。

圖2. 由圖案化垂直排列碳納米管束-聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 組成的傳感層。(a) 包含圖案化垂直排列碳納米管束的微結(jié)構(gòu)聚二甲基硅氧烷的制備工藝。所有步驟均與批量處理和可擴(kuò)展的方法兼容。 (b) 通過化學(xué)氣相沉積 (CVD) 工藝在微結(jié)構(gòu)硅襯底上均勻合成的垂直排列碳納米管 (VACNT) 束陣列的掃描電鏡 (SEM) 圖像。(c) 轉(zhuǎn)移到聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 襯底上的 VACNT 束的光學(xué)圖像。(d) 轉(zhuǎn)移后的 VACNT 束的 SEM 圖像，證實(shí)了微錐結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)移過程中得以保留。

圖3. 基于 VACNT 束的柔性觸覺傳感器的壓力傳感特性。(a) 壓力范圍為 0 至 100 kPa 時(shí)的電流-電壓 (I-V) 曲線。線性關(guān)系證實(shí)了電極與傳感層之間的歐姆接觸。(b) 三個(gè)器件的相對電流變化 (ΔI/I0) 與施加壓力的關(guān)系，顯示出 40.6 kPa?1 的高靈敏度和較低的傳感器間差異 (4.23%)，這歸功于 CVD 合成的 VACNT 束的高度均勻性。 (c) 使用 VACNT-PDMS 傳感器和 CNT-PDMS 復(fù)合材料的三種器件的靈敏度差異比較。(d) 在 10 kPa 壓力下測得的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為 71 ms 和 45 ms。(e) 在 10、30 和 50 kPa 動態(tài)壓力下的實(shí)時(shí)電流響應(yīng)。(f) 長期耐久性測試表明，在 10 kPa 壓力下經(jīng)過 2500 次循環(huán)后，電流信號穩(wěn)定，且整個(gè)測試過程中波形一致。

圖4. 基于 VACNT 束的高靈敏度和高空間分辨率觸覺傳感器陣列。(a) 觸覺傳感器陣列中壓力分布的傳感機(jī)制。當(dāng)施加印章時(shí)，壓力作用于多個(gè)單元，增加相應(yīng)區(qū)域電極與傳感材料之間的接觸面積，從而增加局部電流。(b) 與先前報(bào)道的觸覺傳感器陣列的靈敏度和空間分辨率比較。我們的裝置同時(shí)展現(xiàn)出高靈敏度（40.6 kPa?1）和高空間分辨率（1 mm 間距）。（c–e）使用字母 I、U 和 S 形狀的印章對 5 × 5 觸覺傳感器陣列施加壓力時(shí)的壓力分布圖。

圖5. 大面積壓力分布測量系統(tǒng)演示。（a）壓力分布傳感機(jī)制示意圖。（b）集成商用控制器和傳感器陣列的壓力測量系統(tǒng)照片。（c）高分辨率傳感器陣列的特寫視圖（比例尺：5 mm）。（d）環(huán)形加載下的壓力分布圖（比例尺：10 mm）。（e, f）使用氣槍進(jìn)行局部加載時(shí)的實(shí)時(shí)壓力分布圖。成功捕獲了受壓區(qū)域和局部壓力分布。

審核編輯 黃宇