清華大學Nano Energy: 新范式！基于梯度成分調控的柔性壓力傳感器設計策略以實現寬量程下的靈敏度巨幅提升

【引言】

近年來，伴隨著生理信號監測、軟體機器人、人機交互等領域的飛速發展和迫切需求，電子皮膚（electronic skins）的研究方興未艾。柔性壓力傳感器通過對外界力學刺激產生信號響應，以模仿人類的觸覺感知過程，是電子皮膚中一類重要元件。在所有壓力傳感器中，壓阻式傳感器由于其相對簡易的原理、結構和制備工藝吸引了大量研究者的關注。器件靈敏度和量程是壓力傳感器件的關鍵性能指標，然而從原理上二者具有本征性的折衷（trade-off）效應。兼具寬量程、高靈敏度的柔性壓力傳感器件一直是學者孜孜以求的目標。在廣大研究者的努力下，盡管壓力傳感器的量程及靈敏度得以持續改善，然而迄今為止，壓阻式傳感器件的優化理念均基于結構優化的思想，即通過精巧的結構設計，以充分增大器件傳感區域的接觸面積（導電通道）隨壓力的變化量，從而帶來器件靈敏度的提升。而隨著大量各式納米、微/納復合材料已被充分開發，以及器件各型宏觀堆疊架構的充分改良，單純基于結構優化理念的傳統壓阻式傳感器件設計手段愈發難以支撐器件綜合性能的大幅有效提升。因而，亟需基于全新范式的寬量程、高靈敏度柔性壓力傳感器件設計策略。

【成果簡介】

近日，清華大學鄒貴生、劉磊課題組的研究人員跳出傳統的結構優化設計思路的窠臼，創新性地提出了一種基于梯度成分調控的柔性壓力傳感器件設計策略，實現了寬量程下的器件靈敏度的巨幅提升。通過超快激光沉積和激光微直寫技術，研究人員制備出具有梯度表層成分的、由Cu和FeO_x納米顆粒構筑而成的多級壟式傳感架構。對于壓力傳感過程，在傳統的針對接觸面積的調控手段之外，首次引入了梯度成分策略，通過局域性地調控各納米顆粒壟表層Cu和FeO_x的成分占比，可大幅調整相應接觸界面區域的電導率，從而極大地提升了器件的靈敏度。在保持330 kPa量程的情況下，引入梯度成分調控策略的傳感器相較于未引入該策略的傳感器的最大靈敏度實現了85倍的提升。通過定量化壓力傳感模型的構建和計算，從原理上揭示了該梯度成分調控策略能夠與傳統的結構優化策略兼容，甚至可對器件靈敏度起到優越的倍乘性協同提升效應 （G=P:(A°K)）。此外，借助于激光微直寫技術的局域化、高精度加工特性，納米顆粒壟的成分因素和結構因素均得以有效調控，加之各級壟在受壓時的多級、有序接觸特性（programmable），有助于實現傳感器性能的按需設計與制造。最后，基于梯度成分調控策略制備的壓力傳感器在生理信號監測、動作捕捉、信號編碼等領域實現了有效應用，展示了該器件設計策略的良好實用性。該成果以題為“A Programmable, Gradient-Composition Strategy Producing Synergistic and Ultrahigh Sensitivity Amplification for Flexible Pressure Sensing”在國際著名期刊Nano Energy發表。第一作者為清華大學博士生馮斌。

【圖文導讀】

Figure 1. 基于梯度成分調控的柔性壓力傳感器設計策略及典型實現手段。

a)設計策略。

b)典型實現手段。

Figure 2. 具有梯度表層成分的多級納米顆粒壟的表征。

a)沉積態的Cu–FeO_x 納米顆粒異質層。

b)分別經1，3，5，7道次激光直寫處理后的4級納米顆粒壟的光鏡圖像。

c)各級納米顆粒壟表層的成分演變。

d–f) 各級納米顆粒壟表層的Cu占比、接觸電阻和壟高度演變。

Figure 3. 基于梯度成分調控策略制備的壓力傳感器的性能測試。

a)基于（最右一種）和非基于（前三種）梯度成分調控策略的傳感架構的示意圖。

b, c) 壓力傳感器測試曲線。

d)總體靈敏度比較。

e)與文獻中報道的典型雙層互鎖型壓力傳感器的性能對比。

f)壓力傳感器的響應時間。

g)壓力傳感器循環測試表現。

Figure 4. 基于梯度成分調控策略制備的壓力傳感器的傳感機理。

a)一個含4級，7×7通道壓力傳感模型。

b,c) 一個通道的界面微觀接觸形貌的示意圖及其簡化模型。

d,f) 非基于和基于梯度成分調控策略的各通道的歸一化電導。

e,g) 基于模型計算得到的電導的變化量隨壓力的關系。

h)通過控制各級納米顆粒壟的成分因素和結構因素，器件的靈敏度和量程可以有效調控。

i)梯度成分調控策略用于不同的材料組合。

Figure 5. 基于梯度成分調控策略制備的壓力傳感器的應用場景。

a)測量微小壓力。

b, c) 脈搏監測。

d, e) 手部動作監測。

f) 腳部動作監測。

g, h) 信息編碼。

【總結】

兼具寬量程和高靈敏度的壓力傳感器一直是傳感器研發的關鍵難點之一。現如今，基于結構優化的傳統壓力傳感器設計策略的潛力被逐漸充分挖掘。在此背景之下，本項工作另辟蹊徑，提出了基于梯度成分調控的柔性壓力傳感器設計策略，開啟了壓阻式壓力傳感器設計的全新范式，實現了寬量程下的器件靈敏度的巨幅提升，并在多種應用場景中展示了良好的實用性。借助于激光微納加工技術的局域化、高精度加工特性，可方便地實現器件性能的按需設計與制造。本項工作在傳統的結構調控因素之外，為壓力傳感器的設計首次引入了成分調控因素，并證實了成分調控因素對于器件性能提升的巨大潛力，以及該策略與傳統策略的優越的協同式兼容性。有望引啟新一輪柔性壓力傳感器的性能突破，為面向電子皮膚的柔性傳感元件的發展提供新的動力源泉。

清華大學博士生馮斌為論文第一作者，清華大學劉磊副教授為論文通訊作者，清華大學鄒貴生教授協助論文指導。清華大學朱宏偉教授課題組、吳愛萍教授課題組亦參與到本研究。清華大學博士生王文淦、董明曄、肖宇、任輝、趙軒亮、趙冠雷參與了本研究工作。該研究獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

【文獻鏈接】

A programmable, gradient-composition strategy producing synergistic and ultrahigh sensitivity amplification for flexible pressure sensing. Nano Energy, 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104847