通(tong)過分級互(hu)鎖(suo)結構設(she)計獲得高靈敏(min)與寬(kuan)線(xian)性(xing)傳感的(de)柔性(xing)壓力傳(chuan)感器

靈敏(min)度高、線(xian)性(xing)傳感範(fan)圍寬(kuan)的(de)柔性(xing)壓力傳(chuan)感器在(zai)機(ji)器(qi)人(ren)觸覺、健康監測、可穿戴(dai)設(she)備領域具(ju)有重(zhong)要應(ying)用。構築微(wei)結(jie)構可以提高傳感器的(de)靈敏(min)度，但(dan)由於(yu)軟(ruan)材料(liao)在壓(ya)力作(zuo)用下(xia)的(de)結構硬化問(wen)題使(shi)傳(chuan)感器的(de)響應逐漸飽(bao)和(he)，導致(zhi)器件(jian)呈(cheng)現(xian)較(jiao)窄的(de)傳感範(fan)圍和(he)顯(xian)著的(de)非線(xian)性(xing)響應。

針對(dui)這壹(yi)問(wen)題，來自(zi)南(nan)方(fang)科(ke)技大(da)學(xue)的(de)郭傳(chuan)飛教(jiao)授(shou)團(tuan)隊(dui)設(she)計了(le)由微(wei)穹頂(ding)陣列(lie)與(yu)帶(dai)有次級微(wei)柱的(de)微穹頂(ding)（分(fen)級微(wei)穹頂(ding)）陣列(lie)而形(xing)成(cheng)的(de)壹(yi)種(zhong)分(fen)級互(hu)鎖(suo)結構，有效(xiao)提升(sheng)界面結構的(de)可壓縮(suo)性(xing)，顯(xian)著降低(di)結構硬化，實(shi)現(xian)柔(rou)性(xing)壓力傳(chuan)感器的(de)高靈敏(min)度（49.1 kPa^-1）、線(xian)性(xing)響應（相關(guan)系(xi)數(shu)R²>0.995）和(he)寬傳感範(fan)圍的(de)統壹(yi)（~485 kPa）。傳(chuan)感器的(de)響應/恢(hui)復(fu)時間(jian)小(xiao)於(yu)5 ms，可以檢(jian)測頻率(lv)高達200 Hz的(de)振(zhen)動(dong)刺激(ji)，顯(xian)示出(chu)良(liang)好(hao)的(de)動(dong)態(tai)響應特性(xing)。將傳感器用於機(ji)械(xie)手(shou)的(de)抓(zhua)取(qu)任(ren)務中，結合機(ji)器(qi)學(xue)習(xi)，幫(bang)助機(ji)械(xie)手(shou)識別被抓(zhua)取(qu)物體的(de)重(zhong)量，提升(sheng)機(ji)器(qi)人(ren)觸覺感知能力。相關(guan)工(gong)作(zuo)以“Graded Interlocks for Iontronic Pressure Sensors with High Sensitivity and High Linearity over a Broad Range"為(wei)題發表於(yu)國(guo)際(ji)期(qi)刊《ACS Nano》。

該(gai)研究(jiu)使(shi)用面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻技(ji)術（nanoArch S130，摩(mo)方(fang)精密(mi)）打(da)印具(ju)有微(wei)穹頂(ding)結(jie)構以及(ji)分級微(wei)穹頂(ding)結(jie)構的(de)樹(shu)脂作(zuo)為(wei)模(mo)具(ju)，進壹(yi)步(bu)地(di)，通(tong)過模(mo)板法獲得具(ju)有微(wei)穹頂(ding)結(jie)構的(de)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂/Au電(dian)極及(ji)離(li)子膜(mo)。打印(yin)模(mo)具(ju)尺(chi)寸：9 mm×9 mm×1.5 mm，單(dan)個微(wei)穹頂(ding)尺(chi)寸（電(dian)極模(mo)具(ju)）：寬290 μm，高480 μm；次級微(wei)柱尺(chi)寸（離(li)子膜(mo)模(mo)具(ju)）：直(zhi)徑28 μm，高70 μm。每層(ceng)打(da)印(yin)精度(du)設(she)置為(wei)5 μm，以實(shi)現(xian)分(fen)級互(hu)鎖(suo)結構的(de)高精度(du)、定(ding)制化(hua)打印。

這項工(gong)作(zuo)為(wei)制造(zao)具(ju)有高靈敏(min)度、高線(xian)性(xing)度和(he)寬(kuan)壓(ya)力響應範(fan)圍的(de)柔性(xing)壓力傳(chuan)感器提供(gong)了(le)壹(yi)種(zhong)策(ce)略(lve)，在未(wei)來的(de)觸覺(jiao)器件(jian)中具(ju)有廣(guang)闊的(de)應用前景。

圖1. 分(fen)級互(hu)鎖(suo)結構的(de)可壓縮(suo)性(xing)及(ji)器件(jian)傳(chuan)感原(yuan)理

分(fen)級互(hu)鎖(suo)結構由微(wei)穹頂(ding)結(jie)構與帶(dai)有次級微(wei)柱的(de)微穹頂(ding)結(jie)構組(zu)成。微柱在分級互(hu)鎖(suo)結構中具(ju)有重(zhong)要作(zuo)用。壹(yi)方(fang)面，它提高了結(jie)構的(de)可壓縮(suo)性(xing)，減少結(jie)構硬化，使(shi)應(ying)力分(fen)布更均(jun)勻(yun)，有助於實(shi)現(xian)線(xian)性(xing)形(xing)變；另壹(yi)方(fang)面，微柱結構的(de)引入減小(xiao)了(le)電(dian)極與(yu)離(li)子膜(mo)之間(jian)的(de)起始(shi)接(jie)觸(chu)面積，可有效(xiao)提高了器(qi)件(jian)的(de)靈敏(min)度（圖(tu)1）。

圖2. 分(fen)級互(hu)鎖(suo)型柔性(xing)壓力傳(chuan)感器的(de)制備

該(gai)研究(jiu)使(shi)用面投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻技(ji)術打(da)印(yin)具(ju)有微(wei)穹頂(ding)結(jie)構以及(ji)分級微(wei)穹頂(ding)結(jie)構的(de)樹(shu)脂作(zuo)為(wei)模(mo)具(ju)。進壹(yi)步(bu)地(di)，通(tong)過模(mo)板法獲得具(ju)有微(wei)穹頂(ding)結(jie)構的(de)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂/Au電(dian)極及(ji)離(li)子膜(mo)，並與(yu)平(ping)面電(dian)極PET/Au組(zu)合、封裝，獲得分(fen)級互(hu)鎖(suo)型器件(jian)（圖(tu)2）。

圖3. 分(fen)級互(hu)鎖(suo)型柔性(xing)壓力傳(chuan)感器的(de)傳感性(xing)能

分(fen)級互(hu)鎖(suo)結構的(de)設(she)計實(shi)現(xian)了(le)器(qi)件(jian)的(de)高靈敏(min)度、高線(xian)性(xing)度及(ji)寬傳(chuan)感範(fan)圍的(de)統壹(yi)，同(tong)時(shi)提升(sheng)了器件(jian)的(de)響應速(su)度，實(shi)現(xian)對(dui)高頻振(zhen)動(dong)刺激(ji)的(de)精準檢測，呈(cheng)現(xian)出(chu)良(liang)好(hao)的(de)動(dong)態(tai)響應特性(xing)（圖3）。

圖4. 分(fen)級互(hu)鎖(suo)型柔性(xing)壓力傳(chuan)感器的(de)線(xian)性(xing)傳感特性(xing)

將該(gai)傳感器用於開發線(xian)性(xing)響應的(de)電(dian)子天(tian)平(ping)，並用於測量幾種(zhong)未(wei)知(zhi)物體的(de)重(zhong)量，其(qi)輸(shu)出(chu)結(jie)果(guo)與商(shang)業(ye)電(dian)子天(tian)平(ping)的(de)稱量結果(guo)幾乎(hu)壹(yi)致(zhi)，表明(ming)了(le)自制電(dian)子天(tian)平(ping)對(dui)質量(liang)的(de)測量(liang)比較(jiao)準確、可靠，而且無(wu)需額外(wai)的(de)非線(xian)性(xing)校(xiao)準，大(da)大(da)簡化數(shu)據(ju)處理(li)過程(cheng)（圖(tu)4）。

圖5. 基於(yu)機(ji)器(qi)學(xue)習(xi)的(de)抓(zhua)取(qu)任(ren)務感知與(yu)重(zhong)量識(shi)別(bie)