近日，我院吴德志课题组开发了一种具有均匀分布的高斯曲线形貌微结构阵列的复合膜，并制备了以复合膜为核心的柔性压力传感器，有望解决该领域突出的非线性问题。相关成果以“High-Linearity Flexible Pressure Sensor Based on the Gaussian-Curve-Shaped Microstructure for Human Physiological Signal Monitoring”（用于人体生理信号监测基于高斯曲线形貌微结构的高线性度柔性压力传感器）为题发表在ACS Sensors期刊上。
DOI: 10.1021/acssensors.3c00818
柔性压力传感器具有与物体曲面和人体皮肤保形接触的优势，可以感知周围环境刺激，因此在人机交互、医疗健康和智能机器人传感等领域具有广阔的应用价值。此前已经报道了各种类型的柔性压力传感器，包括压阻传感器、压电容传感器、压电传感器和摩擦电传感器。然而，这些传感器在人体生理信号检测的实际应用中面临挑战和限制，如压电电容传感器易受寄生电容的影响，摩擦电传感器输出信号稳定性差，压电传感器无法有效检测恒压信号等。压阻式传感器由于结构简单、易于制造、集成能力强等优势引起了人们的极大关注。然而，该领域发表的大多数工作集中在实现高灵敏度和宽传感范围上。通过优化传感器的微观结构可以有效提高传感性能，包括引入仿生结构如内外表皮结构、指纹结构以及几何结构如金字塔、柱和微球。随着压力的增加，传感微结构的变形和应力的积累导致大多数传感器信号饱和，尽管实现了高灵敏度和宽传感范围，但表现出强烈的非线性，导致输出信号无法直接反映测量压力的大小，使用之前校准困难、数据处理复杂。这为后续电路信号采集和处理增加了困难，导致传感器生产周期长和用户使用困难。
针对以上问题，吴德志课题组提出了一种具有高度线性响应的新型柔性压力传感器，该传感器采用含有高斯曲线形状微结构阵列的复合膜作为压阻敏感层。复合膜的制备方法是将 MWCNTs 和 PDMS 的混合物浇铸到由 MEMS 技术制备的专门设计的倒置模具中，从而使每个微结构呈高斯曲线形状。仿真结果和实验结果表明高斯微结构和上电极之间接触面积的增加率与施加的浮在成正比，这表明基于高斯曲线形貌微结构的柔性压力传感器具有实现高线性度响应的潜力。实验结果表明，原理性传感器在20 Pa至30 kPa检测范围内具有1.77 kPa-1的高灵敏度和高线性度（R2=0.99）。以及25/50 ms的快速响应/释放时间。此外，该传感器表现出优秀的长期耐用性，能够承受15 kPa的10000多次重复压力循环。
原理性传感器已被证明具有多种应用潜力，包括字母发音检测、脉搏监测、腕管压力监测以及空间压力识别阵列等。并且，得益于它优异的线性度，原理性传感器还展示了它作为柔性电子天平的发展前景。综上所述，具有超高线性度和高灵敏度的高斯曲线形状柔性压力传感器允许直接使用而无需进行非线性标定，采用MEMS工艺而允许批量制作，这对于促进柔性电子器件的快速发展和实际应用普及具有重要意义。
该论文厦门大学硕士生朱彬为该论文第一作者，厦门大学吴德志教授和机械工业仪器仪表综合技术经济研究所杜晓辉博士为该论文共同通讯作者。
图1 高斯曲线形状柔性压力传感器的制造流程和工作原理
图2 高斯曲线形状传感器的仿真结果与形貌表征
图3 高斯曲线形状传感器压力传感性能
图4 高斯曲线形状传感器的生理信号应用
