最新突破！超高性能柔性触觉传感器

***、研究背景

柔性触觉传感器能够将外部触觉刺激直接转换为可检测的电信号，在医疗健康监测、人机交互、智能终端等领域备受关注。根据工作原理，其主要分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式等类型，其中压阻式传感器因结构简单、易于制造、信号采集便捷等优势而具有吸引力。

在多样化的应用场景中，柔性触觉传感器需同时具备高灵敏度和宽线性范围：高灵敏度可确保传感器具备高压力分辨率，实现高精度检测；宽线性范围能在较大压力区间内保持高压力分辨率，并便于信号后处理。过去数十年，科研人员为提升压阻式触觉传感器的灵敏度和线性度付出大量努力，探索了多种填充或表面涂覆导电材料（如碳纳米管、MXene、银纳米线等）的导电弹性体作为电阻层。

传统压阻式传感器依赖固体电阻层在压缩下的体电阻变化，因固体电阻层变形能力低，灵敏度受限。在电阻层构建微结构（如微圆顶、微金字塔、微织物、多孔结构等）是提升灵敏度的有效方法，微结构可在极低压力下引发接触电阻的显著变化。然而，由于软材料的硬化效应，微结构电阻层的变形会随压力增大而持续减弱，导致传感器线性范围受限。虽采用多***或梯度微结构延迟变形衰减能显著拓宽线性范围，但灵敏度会因同等压力下电阻变化受抑制而不可避免地降低。即便通过协同构建微结构和多导电层可在***定程度上同时提升灵敏度和线性范围，但超高灵敏度与超宽线性范围之间的相互制约仍未得到彻底解决，开发同时具备超高灵敏度（如1000 kPa?1以上）和超宽线性范围（如0-1000 kPa以上）的压阻式触觉传感器仍是***大挑战 。

二、研究亮点

1. 提出局部梯度导电性（LGC）设计，通过在微圆顶结构的高导电性（高σ）银纳米线（AgNWs）薄膜上部分覆盖低导电性（低σ）碳/聚二甲基硅氧烷（CPDMS）层，实现了压力驱动的串并联切换，使低σ和高σ组件在不同压力区间分别发挥主导作用，彻底解决了传统压阻式触觉传感器中高灵敏度与宽线性范围相互制约的难题。

2. 优化后的传感器在0-3000 kPa的超宽线性传感范围内，展现出1546.35 kPa?1的超高灵敏度，这是***次报道的在如此宽线性范围内实现超高灵敏度的压阻式触觉传感器。

3. 传感器具有良好的重复性，不同样品在0-3000 kPa范围内平均灵敏度达1569.81 kPa?1，相对标准偏差仅4.45%；具备出色的稳定性，加载和卸载过程中灵敏度分别为1548.67 kPa?1和1547.3 kPa?1，线性范围均为0-3000 kPa（R2=0.99）；拥有卓越的耐用性，在约1700 kPa的超高压力下周期性施加超过10000次循环，信号强度几乎无衰减；响应/恢复时间低于100 ms，能快速响应压力变化 。

4. 在医疗健康监测方面，可不受佩戴松紧度影响，可靠检测动脉脉搏、呼吸、声音振动、身体运动等各类与压力相关的生理信号；在智能***居领域，能作为高效便捷的指令发射器，通过不同强度的力输入组合输出多种编码指令，实现对不同房间照明的控制；在智能车辆领域，可附着于车轮，通过触觉感知监测车辆实时运行状态（如速度、加速度等）并反映地面信息（如坡度变化、凹凸度等），弥补传统光学技术在非视距条件下的不足 。

三、研究内容

（***）LGC基压阻式触觉传感器设计原理

LGC由在基于PDMS的微圆顶结构上的高σ AgNWs薄膜局部覆盖低σ CPDMS构成。PDMS/AgNWs微圆顶通过PDMS基凝胶将沉积在微雕刻制造模板上的AgNWs薄膜转移得到，CPDMS的局部覆盖借助相同微雕刻技术制造的通孔掩模将CPDMS混合物喷涂在制备好的PDMS/AgNWs微圆顶上实现。

与传统微结构压阻式传感器依赖接触电阻变化且线性范围受接触面积变化线性度影响不同，LGC设计通过压力增大实现低σ CPDMS与高σ AgNWs之间独特的串并联切换，使两者在不同压力范围分别主导。低压力阶段（串联阶段，SC阶段），低σ CPDMS层将高σ AgNWs薄膜与上电极隔离，两者导电性差异迫使电子在接触点从低σ CPDMS层向高σ AgNWs薄膜定向传输，形成串联，此时低电导率的CPDMS层主导总电流变化。压力下CPDMS层压缩，内嵌炭黑纳米颗粒聚集减少内部隧道电阻，随厚度减小电阻率降低，产生与接触电阻不同的体电阻变化，两者协同作用确保即使接触面积非线性变化，电流仍线性增加。

高压力阶段（并联阶段，PC阶段），微圆顶变形使上电极与高σ AgNWs薄膜直接接触，电子除通过CPDMS层外还可直接通过AgNWs薄膜传输，形成并联，高导电性的AgNWs薄膜主导电流变化，即使微结构变形衰减导致接触面积变化率显著降低，仍能维持电流增加率。通过合理关联CPDMS层的覆盖度和CPDMS层与AgNWs薄膜的导电梯度，可定制全局线性电流变化，实现超宽线性范围。同时，串并联切换使低σ CPDMS和高σ AgNWs凭借显著不同的导电性产生低初始电流和高***终电流，在不依赖微结构调节的情况下提升灵敏度，且不会以牺牲灵敏度为代价拓宽线性范围 。

（二）LGC配置定制与传感器性能优化

1. 梯度导电性影响：对比具有梯度导电性（GC）和无梯度导电性（NGC）传感器的相对电流变化，GC传感器（高σ AgNWs薄膜完全覆盖低σ CPDMS层）在0-200 kPa宽线性范围内具有1341.95 kPa?1的超高灵敏度，而NGC传感器（仅CPDMS层或AgNWs薄膜）灵敏度（NGC-CPDMS为201.63 kPa?1，NGC-AgNWs为92.56 kPa?1）和线性范围（约0-2 kPa）均有限。这是因为GC传感器的梯度导电性降低了电流变化对接触电阻的高度依赖，CPDMS压缩时体电阻与接触电阻协同变化实现线性电流变化，且梯度导电性同时带来低初始电流和高***终电流，提升灵敏度。但GC传感器中CPDMS层在高压下受软材料硬化效应限制，压缩受限后电流变化受接触电阻主导而衰减。

2. CPDMS厚度影响：增加GC传感器中CPDMS层厚度可延迟其压缩过程，拓宽线性范围（从24μm厚时的0-200 kPa增至60μm厚时的0-320 kPa），但会导致同等压力下电阻增大、电流降低，灵敏度显著下降。综合考虑，选择约24μm厚的CPDMS层构建LGC，以在保持较宽线性范围的同时获得较高灵敏度。

3. LGC关键参数优化：通过分析GC电阻层机械变形，确定LGC中CPDMS层覆盖度约为0.4（基于LGC微圆顶中被覆盖组件的高度百分比定义）。以此覆盖度构建的LGC?.?@3传感器（下标0.4为低σ CPDMS覆盖度，3为高σ AgNWs薄膜层数）在0-3000 kPa超宽线性范围内展现出1546.35 kPa?1的超高灵敏度，且在0-200 kPa压力区间与GC@3传感器电流变化相似，证实串并联切换在约200 kPa压力下按设计实现。高σ AgNWs组件的导电性需与低σ CPDMS匹配，以确保串联和并联阶段电流变化率***致，实现全局线性；CPDMS层覆盖度过低会导致高压组件过早与上电极接触，使电流提前饱和，过高则延迟高压组件主导作用，导致串联阶段电流变化衰减，覆盖度约0.4为***优选择 。

（三）LGC基传感器性能表征

1. 微小压力响应：在不同预加载压力（约1、10、100、900、1800 kPa）下，传感器能很好地识别数十帕至数十千帕的微小压力变化，证明其在全压力范围内可保持高压力分辨率。

2. 电学特性：传感器的I-V曲线呈线性，表明所用导电层导电性良好，符合欧姆定律，且在不同工作电压下具有出色的电学稳定性。

3. 动态性能：加载和卸载过程中电流变化重复性好，无明显滞后；对不同压力的逐步加载和卸载表现出近似相同的稳定性；响应/恢复时间低于100 ms，能快速响应压力变化。

4. 性能对比：与已报道的其他传感器相比，该传感器是***个在如此宽的线性范围内实现超高灵敏度的压阻式触觉传感器，性能优势显著。且通过提高低σ和高σ组件的导电性以及所用弹性体的弹性模量，传感器性能仍有提升空间 。

（四）LGC基传感器应用演示

1. 医疗健康监测：作为可穿戴设备，传感器不受佩戴松紧度影响，能可靠检测手腕脉搏（可清晰识别典型波形，如叩击波、潮波和舒张波，平均频率约83次/分钟）、不同呼吸状态（可区分正常呼吸、快速呼吸和咳嗽）、声音振动（附着于颈部可识别单音节和双音节单词的发音）、关节弯曲（附着于肘部可根据弯曲程度输出不同强度信号）以及身体运动（附着于脚部可区分站立、行走、跑步和跳跃等动作）。

2. 智能***居控制：凭借超高灵敏度和超宽线性范围，传感器可通过不同强度的力输入输出多种信号，将其编码为指令。基于1位、2位和3位编码系统，单个传感器可传输多种控制指令（如3位编码系统可传输39种不同指令），通过LabView辅助，成功实现对不同房间照明的动态控制，且操作便捷，无需专业培训，信号处理简化。

3. 智能车辆地面检测：将尺寸约4×4 mm2的传感器附着于10 kg车辆模型的后轮，在平坦地面上，传感器信号强度几乎不变，通过信号频率可反映车辆速度变化，进而计算出车辆运行时的详细速度和加速度；传感器能根据车轮负载变化反映地面坡度变化（上坡时后轮负载增加，信号强度整体升高，下坡时则降低），并可识别地面凹凸度（凸点会使传感器承受额外压力，信号强度异常升高，凹点则使压力减小，信号强度异常降低），可在非视距条件下补充智能车辆地面检测功能 。

四、总结与展望

本研究提出的局部梯度导电性（LGC）设计，通过在微圆顶结构的高σ AgNWs薄膜上部分覆盖低σ CPDMS层，实现了压力驱动的串并联切换，成功解决了压阻式传感器高灵敏度与宽线性范围相互制约的难题。低压力阶段，低σ CPDMS层主导电流变化，通过体电阻与接触电阻协同作用实现线性电流变化；高压力阶段，高σ AgNWs薄膜主导，维持电流增加率，结合合理的覆盖度和导电梯度，实现了0-3000 kPa超宽线性范围和1546.35 kPa?1超高灵敏度的优异性能。传感器同时具备良好的重复性、稳定性、耐用性和快速响应特性，在医疗健康监测、智能***居控制和智能车辆地面检测等领域展现出巨大应用潜力，可不受佩戴松紧度影响实现***生理信号检测，作为高效指令发射器实现智能***居控制，还能弥补传统光学技术不足，辅助智能车辆完成地面检测 。

未来可通过提高低σ和高σ组件的导电性，以及增加所用弹性体的弹性模量（延迟微结构变形，使串联和并联阶段的线性电流变化在更宽压力区间保持，进***步拓宽线性范围），持续优化传感器性能。当前研究涉及导电性匹配和多步制造等问题，后续可探索采用原位印刷技术结合合适材料，简化制备流程，降低生产成本，推动传感器的规模化生产和实际应用。除现有应用外，可进***步探索传感器在更多领域的应用，如机器人触觉感知、虚拟现实/增强现实交互、精密制造检测等，充分发挥其高灵敏度和宽线性范围的优势。将传感器与其他功能模块（如信号处理模块、无线传输模块等）集成，开发具备智能化分析和决策能力的触觉传感系统，提升其在复杂场景下的应用价值 。

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