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內容概覽

現有技術缺點

大面積制造困難：現有柔性壓力傳感陣列在大面積生產中難以實現高一致性。

穩定性不足：導電層易脫落，長時間使用后傳感器陣列穩定性降低。

串擾問題：陣列中傳感器單元間存在信號干擾，影響測量精度。

靈敏度與檢測范圍的矛盾：現有技術難以在保持高靈敏度的同時，適應寬廣的壓力范圍。

創新點

仿生多級穹頂結構：

受章魚觸手吸盤啟發，通過多級穹頂微結構，實現靈敏度與壓力范圍的可編程控制。

多級穹頂結構受壓逐漸接觸電極，提供高靈敏度和寬壓力檢測范圍。

可編程與定制化：靈敏度范圍可調（0.15~0.29 kPa^?1），壓力范圍靈活（10~100 kPa），線性工作范圍可變（0~7 kPa至0~40 kPa之間）。

嵌入式導電層：

將銀納米線導電層嵌入PDMS微結構中，顯著提升傳感器耐久性（22,000次循環后性能仍穩定）。

低串擾設計：支撐隔離結構降低傳感器陣列的串擾系數（從0.87降至26.62 dB），有效提高傳感精度。

高精度制造工藝：采用噴涂與壓印技術，實現晶圓級多像素陣列生產，高一致性和可擴展性顯著增強。

應用場景

人機交互：精確檢測觸摸動作，用于智能交互設備。

電子皮膚：賦予機器人觸覺感知，提升復雜環境中的操作能力。

醫學康復：用于監測人類肌肉活動，支持康復訓練與健康診斷。

圖像識別：通過空間壓力分布實現三維形貌測量。

總結

這項研究通過仿生設計與先進制造技術，提出了一種具有高靈敏度、高穩定性、低串擾、高一致性和可定制性能的柔性壓力傳感陣列。其創新點包括多級穹頂結構、嵌入式導電層及支撐隔離結構設計，成功解決了傳統柔性陣列的制造一致性、信號穩定性和性能調節難題。該技術在人機交互、醫學康復和電子皮膚等領域具有廣泛應用前景，為未來高性能柔性傳感器的發展提供了重要參考。

文章名稱：Biomimetic Contact Behavior Inspired Tactile Sensing Array with Programmable Microdomes Pattern by Scalable and Consistent Fabrication

期 刊：Advances Science

文章DOI：

https://doi.org/10.1002/advs.202408082

通訊作者：西安交通大學邵金友（Jinyou Shao）、田洪淼（Hongmiao Tian）

02

圖文簡介

多級穹頂結構傳感器的靈感與感知機制

受章魚觸手的啟發，該文提出了一種基于多尺寸穹頂的可編程感知接觸面的傳感結構。該文制造的嵌入式微結構柔性壓力傳感器陣列與其他文獻中的傳感器進行了比較（圖1i）。可以看出：

利用多級結構的逐步接觸傳感原理，可以提高大壓力范圍的靈敏度。仿生多級穹頂結構在加壓時逐漸接觸電極表面，突破了在大靈敏范圍下保持高靈敏度的局限；

在壓印過程中將導電材料嵌入微穹頂結構中，以提高穩定性，而高精度的壓印工藝能夠解決多像素陣列大面積擴展中各單元一致性差的問題；

支撐隔離結構有效提高了傳感器陣列的串擾抗性。支撐隔離結構減少了傳感器單元之間的應變傳遞，限制了由應變傳遞引起的機械變形，從而抑制了傳感器陣列之間的信號串擾現象；

可模壓成型的多像素高精度柔性壓力傳感器陣列的制造工藝確保了傳感器單元性能的一致性，提高了傳感器陣列的整體一致性。

圖1. 受章魚啟發的多級穹頂結構傳感器的傳感機制及性能。a,b) 章魚觸手的傳感示意圖。c) 穹頂微結構組合的示意圖。d) 嵌入式柔性壓力傳感陣列與多級穹頂微結構的示意圖。e,f) 嵌入式多級穹頂微結構的導電原理。g) 多級穹頂微結構的尺寸示意圖及掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。h) 基于多級結構的大型傳感器陣列。i) 所提出的嵌入式柔性傳感器陣列與其他傳感器陣列的性能比較。

觸覺傳感陣列的制造過程與表征

對于傳感器陣列而言，實現傳感器單元敏感結構的高一致性和大面積制造是獲得傳感器陣列高精度性能的前提，其制造流程如圖2a所示。在該研究中，銀納米線的導電層通過噴涂和成型工藝嵌入到PDMS穹頂的微結構層中，并可控地制造出微結構的柔性壓力敏感導電薄膜。交指電極則采用電子束蒸發涂層技術制造，壓力敏感薄膜與交指電極通過熱壓工藝進行粘合和封裝。

噴涂工藝在制造過程中具有較高的一致性和穩定性。在噴涂后，測量了24個e）。

圖2. 觸覺傳感陣列的制造過程與表征。a) 傳感器陣列的制造過程。b) 在印刷前后模具表面銀納米線分布的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。c) 導電層中銀納米線的平方電阻分布。d) 半球微結構中元素的分布。e) 靈活壓力傳感陣列的彎曲與折疊展示。

傳感單元的感知特性

圖3. 傳感單元的傳感特性。a) 抗串擾的支撐隔離結構示意圖。b) 傳感單元的靈敏度曲線。c) 在40 kPa壓力下，傳感單元的響應和恢復時間。d) 在不同壓力下，傳感單元的響應曲線。e) 在各種壓力下，傳感單元的I-V曲線。f) 在15 kPa下進行22,000次重復循環的傳感陣列的循環穩定性測試。g) 對不同圓頂直徑（D = 200 μm, D = 300 μm, D = 500 μm）的傳感器壓力響應測試。h) 對不同陣列周期（T = 1 mm, T = 1.5 mm, T = 2 mm）的傳感器壓力響應測試。i) 一級和三級復合圓頂結構的比較。

傳感器陣列的性能與應用

圖4. 傳感器陣列的性能與應用。a,b) 在50 kPa壓力下，無支撐隔離結構與支撐隔離結構之間信號串擾的比較。c) 傳感器陣列對“XJTU”的壓力圖像識別。d) 3 × 8陣列壓力傳感器各傳感器單元的響應曲線。e) 使用氣刀清潔玻璃的示意圖。f) 氣刀出口流量壓力檢測。g) 用于氣刀堵塞位置檢測的柔性壓力傳感器陣列。

結合機器學習算法實現醫療康復應用

用于肌肉檢測的傳感器陣列信號處理示意圖如圖5b所示。測試系統由手掌傳感器陣列、多通道數據采集、通信模塊和主機計算機軟件組成。該系統通過識別手部肌肉力量，可以區分不同的手部動作，并能夠準確反饋患者手部的精細運動準確性，成功實現了醫療康復的應用。

圖5. 結合機器學習算法實現醫療康復應用。a) 人手掌的肌肉分布及相應傳感單元的設置。b) 傳感器陣列的傳感信號處理示意圖。c) 控制油門和操縱桿時手部的肌肉活動。d) 在不同操作動作中由不同傳感單元收集的壓力信號。e) 隨機森林算法的分類過程。f) 不同操作動作的分類結果。

來源：https://doi.org/10.1002/advs.202408082

來源：高分子科技

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