微绒毛结构赋能传感器：同步压缩实现超宽压力范围精准感知

研究背景

柔性压力传感器在人机交互、可穿戴健康监测、物理信号监测等领域应用广泛，其灵敏度、工作范围和压力分辨率至关重要。人体压力范围跨度大，从约100 Pa到近1000 kPa ，如监测膝盖手术后半月板需传感器能承受几百千帕高压，同时还要检测因行走姿势变化引起的几千帕细微压力变化。但现有传感器大多只能检测超高压力或细微压力，难以满足需求。当前提升传感器性能的策略主要是引入微结构，如微锥、微金字塔等，但这些传感器多依赖单一压缩机制，易出现结构硬化，导致工作范围受限、压力分辨率降低。部分研究虽采用分层设计改善结构可压缩性，但工作范围仍不理想，因此需要新的同步压缩机制来推动柔性压力传感器发展。

研究成果

能够同时检测高压和微弱压力的传感器对于生理健康监测和人机交互等应用至关重要。然而，目前的传感器通常难以满足这些要求，因为它们通常依赖单一的压缩机制。在本研究中，深圳大学张希副研究员&浙江大学徐凯臣教授等人报道了一种基于同步压缩机制的微绒毛微结构传感器，它能够追踪超宽范围的压力。这种同步压缩机制包括：第一，微绒毛诱导的电子转移增加；第二，微结构接触面积增加；第三，多壁碳纳米管间距减小。在高压阶段，这些机制共同作用，引起电阻变化。因此，该传感器能够在模拟半月板的极高压力（750 kPa）条件下测量5 kPa的压力变化，而商用传感器在这种情况下则无法做到。该传感器具有从50 Pa到782.5 kPa的超宽工作范围、9 ms的快速响应时间，并且在250 kPa压力下可循环10000次，具有较长的使用寿命。这种柔性压力传感器在多种应用中也展现出了多功能性和潜力。本文提出的同步压缩机制能够为未来高性能柔性传感器的设计提供思路。 相关研究以“Ultra-Broad-Range Pressure Sensing Enabled by Synchronous-Compression Mechanism Based on Microvilli-Microstructures Sensor”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

研究亮点

1. 提出同步压缩机制，结合微绒毛诱导电子转移、微结构接触面积增加和碳纳米管间距减小三种效应，有效解决了传统传感器结构硬化导致的工作范围受限问题，为高性能柔性传感器设计提供新思路。

2. MVMS传感器具有超高灵敏度（最高58.88 kPa^-1 ）、超宽工作范围（50 Pa - 782.5 kPa）、快速响应（9 ms）、高压力分辨率（0.66% at 750 kPa）和良好机械稳定性（250 kPa压力下循环10000次），性能远超基于单一压缩机制的传感器。

3. 在生理信号检测、人机交互、触觉传感等多领域展现出良好应用前景，如在健康监测中可全面检测人体生理信号，在人机交互中精准控制灵巧手动作，在触觉传感中精确感知物体形状。

研究内容

1. 微绒毛微结构传感器（MVMS）的设计与制备：受小肠绒毛结构和功能启发，设计了具有微绒毛和微结构的传感层，构建了基于同步压缩机制的MVMS柔性压力传感器。传感器为三明治结构，通过将碳布压印在PDMS - MWCNTs传感材料基底上制备传感层，再用硅酮粘合剂将其与间隔层组装成传感器。

2. 同步压缩机制研究：该机制分三个阶段。低压阶段（50 Pa - 14.3 kPa），上下传感层微绒毛直接接触，增加电子转移，调制电阻；中压阶段（14.3 - 200 kPa），微结构相互接触，接触面积增加主导电阻变化，微绒毛诱导的电子转移仍有贡献；高压阶段（200 - 782.5 kPa），微绒毛和微结构共同影响电阻变化，碳纳米管间距减小形成更多导电路径。通过等效电路模型和SEM图像验证了该机制。

3. MVMS传感器性能测试：该传感器灵敏度高，在不同压力范围有不同灵敏度，如压力低于14.25 kPa时，S1 = 58.88 kPa^-1 ；工作范围超宽，从50 Pa到782.5 kPa ；响应时间快，约9 ms ；压力分辨率高，在750 kPa时为0.66% ；机械稳定性好，250 kPa压力下循环10000次信号漂移可忽略不计。此外，对温度和湿度变化不敏感，检测限低至约50 Pa 。

4. 生理信号检测应用：MVMS传感器可检测多种生理信号，如声音信号、脉搏信号、运动信号等。在检测半月板压力时，能在高压力下有效响应额外脉动压力，而商业传感器则会饱和无响应，展示了其在生理信号检测方面的优势。

5. 无线检测系统集成：将MVMS传感器集成到无线检测系统中，该系统包含传感器、无线检测电路和主机。电路采用多层折叠策略，集成无线充电功能，通过蓝牙低功耗协议传输信号。经测试，系统覆盖范围达20米，可用于颈动脉脉搏检测和跑步运动检测，在复杂户外环境中也表现稳定。

6. 人机交互和触觉传感应用：利用MVMS传感器超宽工作范围、高灵敏度和高压力分辨率等优势，构建人机交互和触觉传感系统。在人机交互中，通过检测电路控制灵巧手动作；在触觉传感方面，采用独立隔离传感器和Kirigami结构FPCB减少传感器阵列串扰，实现对不同形状3D打印物体的触觉感知。