【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】柔性壓力傳感器因其在人形機器人、生物醫(yī)療和人機交互等前沿領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力而備受關(guān)注。其中，電容式壓力傳感器以其低功耗、高穩(wěn)定性等優(yōu)點成為研究熱點，但其性能(尤其是靈敏度和線性度)長期以來受限于傳統(tǒng)的設(shè)計思路，這極大制約了其在需要精確力反饋與動態(tài)控制的復(fù)雜場景中的應(yīng)用。
 

　　針對這一挑戰(zhàn)，北京大學(xué)電子學(xué)院胡又凡-彭練矛團隊提出了一種全新的“接觸主導(dǎo)的局域電位移場增強”設(shè)計策略。該策略通過巧妙地設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)，成功地在寬壓力范圍內(nèi)同時實現(xiàn)了超高的靈敏度、極佳的線性度和廣闊的傳感范圍。這一設(shè)計包含兩個核心要素：一是由魯棒的導(dǎo)電復(fù)合材料與金屬覆蓋層構(gòu)成的分級微結(jié)構(gòu)電極；二是通過薄層或高介電常數(shù)(high-k)材料實現(xiàn)的具有高單位面積電容的介電層。這種設(shè)計使得傳感器的電容變化主要由接觸區(qū)域的局域增強電場主導(dǎo)，從而突破了傳統(tǒng)傳感器的性能瓶頸。
 

　　圖1. 接觸主導(dǎo)的局域電位移場增強型壓力傳感器。a，傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，展示了分級微結(jié)構(gòu)電極與高單位面積電容的介電層。b，施加壓力之前和高壓下的電勢分布的橫截面圖

 

　　該團隊研制的傳感器展現(xiàn)了世界領(lǐng)先的性能。其壓力響應(yīng)(歸一化電容變化量)超過3000，比以往的最高紀(jì)錄提升了一個數(shù)量級以上；傳感范圍超過1兆帕(MPa)，部分器件可達2兆帕。尤為突出的是，該傳感器在0—100千帕(kPa)的寬壓力范圍內(nèi)，實現(xiàn)了高達9.22kPa?¹的靈敏度和0.9998的近乎完美的線性度(R²值)。此外，該傳感器還展示了出色的機械魯棒性、對微小壓力(0.1帕)的超高分辨率以及快速響應(yīng)能力(約15毫秒)。
 

　　圖2. 接觸主導(dǎo)的壓力傳感器的性能表征。a—c，傳感器的歸一化電容變化與壓力關(guān)系曲線，展示了其超高的響應(yīng)和優(yōu)異的線性度。d，與此前各類微結(jié)構(gòu)壓力傳感器相比，該設(shè)計在靈敏度和響應(yīng)范圍上均實現(xiàn)了突破。e，小壓力下的壓力響應(yīng)，可以分辨出~1Pa時歸一化電容變化的十分之一(即~0.1Pa)

 

　　研究進一步揭示了該設(shè)計的工作機理。分級微結(jié)構(gòu)確保了在不同壓力下，總有新的微結(jié)構(gòu)參與接觸，從而將材料的應(yīng)變保持在線性區(qū)域內(nèi)，保證了寬范圍的線性響應(yīng)。而“導(dǎo)電復(fù)合材料+金屬覆蓋層”的混合電極設(shè)計，則巧妙地解決了薄金屬層在形變下容易開裂失效的問題，保證了信號的穩(wěn)定與可靠。基于其卓越的性能，團隊將此傳感器與柔性低維半導(dǎo)體晶體管集成，在2.66伏的低工作電壓下，實現(xiàn)了高達4x10?的電學(xué)響應(yīng)，充分利用了晶體管的開關(guān)比，極大地提升了集成器件的信噪比。
 

　　團隊通過兩個典型應(yīng)用場景展示了該技術(shù)的巨大潛力。在流體物理性質(zhì)評估中，搭載該傳感器的機械臂能夠精確測量不同液體的靜水壓，從而估算其密度，并能捕捉到液滴表面張力引起的微小動態(tài)變化。在機器人操控任務(wù)中，集成該傳感器的機械手能夠根據(jù)物體的剛度自適應(yīng)地控制抓取力，無論是柔軟的棉花還是堅硬的乒乓球都能穩(wěn)定抓取且不變形，甚至能在物體滑落時進行動態(tài)調(diào)整，其壓力分辨率比人類皮膚高出一個數(shù)量級。
 

　　圖3. 壓力傳感器在機器人精準(zhǔn)操控中的應(yīng)用。a，配備傳感器的機械手抓取棉花的照片。b，抓取各種物體時壓力變化的動態(tài)。c，配備傳感器的機械手抓取裝有水的瓶子的照片。d，抓取和提起瓶子以及發(fā)生滑落時的壓力變化和速度調(diào)整。e，傳感器檢測到的機械振動引起的測量壓力變化。f，配備傳感器的機械手夾持器抓取裝滿水的量筒的照片。g，抓取量筒時夾持器的壓力變化和速度調(diào)整

 

　　以上相關(guān)成果以《接觸主導(dǎo)的局域電位移場增強型壓力傳感》(“Contact-dominated localized electric-displacement-field-enhanced pressure sensing”)為題，于2025年8月29日在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目以及納米器件物理與化學(xué)教育部重點實驗室的支持。北京大學(xué)電子學(xué)院博士后馬超、湖南先進傳感與信息技術(shù)研究院碩士生葉懷東、東南大學(xué)機械工程學(xué)院碩士生史曉微和北京大學(xué)電子學(xué)院博士生陳雨凡為論文共同第一作者，胡又凡和彭練矛為論文共同通訊作者。該成果為下一代高性能柔性電子學(xué)、智能機器人和人機交互系統(tǒng)的發(fā)展提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐，有望推動其在更廣泛領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。