***、研究背景

柔性觸覺傳感器能夠將外部觸覺刺激直接轉換為可檢測的電信號，在醫療健康監測、人機交互、智能終端等領域備受關注。根據工作原理，其主要分為壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式等類型，其中壓阻式傳感器因結構簡單、易于制造、信號采集便捷等優勢而具有吸引力。

在多樣化的應用場景中，柔性觸覺傳感器需同時具備高靈敏度和寬線性范圍：高靈敏度可確保傳感器具備高壓力分辨率，實現高精度檢測；寬線性范圍能在較大壓力區間內保持高壓力分辨率，并便于信號后處理。過去數十年，科研人員為提升壓阻式觸覺傳感器的靈敏度和線性度付出大量努力，探索了多種填充或表面涂覆導電材料（如碳納米管、MXene、銀納米線等）的導電彈性體作為電阻層。

傳統壓阻式傳感器依賴固體電阻層在壓縮下的體電阻變化，因固體電阻層變形能力低，靈敏度受限。在電阻層構建微結構（如微圓頂、微金字塔、微織物、多孔結構等）是提升靈敏度的有效方法，微結構可在極低壓力下引發接觸電阻的顯著變化。然而，由于軟材料的硬化效應，微結構電阻層的變形會隨壓力增大而持續減弱，導致傳感器線性范圍受限。雖采用多***或梯度微結構延遲變形衰減能顯著拓寬線性范圍，但靈敏度會因同等壓力下電阻變化受抑制而不可避免地降低。即便通過協同構建微結構和多導電層可在***定程度上同時提升靈敏度和線性范圍，但超高靈敏度與超寬線性范圍之間的相互制約仍未得到徹底解決，開發同時具備超高靈敏度（如1000 kPa?1以上）和超寬線性范圍（如0-1000 kPa以上）的壓阻式觸覺傳感器仍是***大挑戰 。

二、研究亮點

1. 提出局部梯度導電性（LGC）設計，通過在微圓頂結構的高導電性（高σ）銀納米線（AgNWs）薄膜上部分覆蓋低導電性（低σ）碳/聚二甲基硅氧烷（CPDMS）層，實現了壓力驅動的串并聯切換，使低σ和高σ組件在不同壓力區間分別發揮主導作用，徹底解決了傳統壓阻式觸覺傳感器中高靈敏度與寬線性范圍相互制約的難題。

2. 優化后的傳感器在0-3000 kPa的超寬線性傳感范圍內，展現出1546.35 kPa?1的超高靈敏度，這是***次報道的在如此寬線性范圍內實現超高靈敏度的壓阻式觸覺傳感器。

3. 傳感器具有良好的重復性，不同樣品在0-3000 kPa范圍內平均靈敏度達1569.81 kPa?1，相對標準偏差僅4.45%；具備出色的穩定性，加載和卸載過程中靈敏度分別為1548.67 kPa?1和1547.3 kPa?1，線性范圍均為0-3000 kPa（R2=0.99）；擁有卓越的耐用性，在約1700 kPa的超高壓力下周期性施加超過10000次循環，信號強度幾乎無衰減；響應/恢復時間低于100 ms，能快速響應壓力變化 。

4. 在醫療健康監測方面，可不受佩戴松緊度影響，可靠檢測動脈脈搏、呼吸、聲音振動、身體運動等各類與壓力相關的生理信號；在智能***居領域，能作為高效便捷的指令發射器，通過不同強度的力輸入組合輸出多種編碼指令，實現對不同房間照明的控制；在智能車輛領域，可附著于車輪，通過觸覺感知監測車輛實時運行狀態（如速度、加速度等）并反映地面信息（如坡度變化、凹凸度等），彌補傳統光學技術在非視距條件下的不足 。

三、研究內容

（***）LGC基壓阻式觸覺傳感器設計原理

LGC由在基于PDMS的微圓頂結構上的高σ AgNWs薄膜局部覆蓋低σ CPDMS構成。PDMS/AgNWs微圓頂通過PDMS基凝膠將沉積在微雕刻制造模板上的AgNWs薄膜轉移得到，CPDMS的局部覆蓋借助相同微雕刻技術制造的通孔掩模將CPDMS混合物噴涂在制備好的PDMS/AgNWs微圓頂上實現。

與傳統微結構壓阻式傳感器依賴接觸電阻變化且線性范圍受接觸面積變化線性度影響不同，LGC設計通過壓力增大實現低σ CPDMS與高σ AgNWs之間獨特的串并聯切換，使兩者在不同壓力范圍分別主導。低壓力階段（串聯階段，SC階段），低σ CPDMS層將高σ AgNWs薄膜與上電極隔離，兩者導電性差異迫使電子在接觸點從低σ CPDMS層向高σ AgNWs薄膜定向傳輸，形成串聯，此時低電導率的CPDMS層主導總電流變化。壓力下CPDMS層壓縮，內嵌炭黑納米顆粒聚集減少內部隧道電阻，隨厚度減小電阻率降低，產生與接觸電阻不同的體電阻變化，兩者協同作用確保即使接觸面積非線性變化，電流仍線性增加。

高壓力階段（并聯階段，PC階段），微圓頂變形使上電極與高σ AgNWs薄膜直接接觸，電子除通過CPDMS層外還可直接通過AgNWs薄膜傳輸，形成并聯，高導電性的AgNWs薄膜主導電流變化，即使微結構變形衰減導致接觸面積變化率顯著降低，仍能維持電流增加率。通過合理關聯CPDMS層的覆蓋度和CPDMS層與AgNWs薄膜的導電梯度，可定制全局線性電流變化，實現超寬線性范圍。同時，串并聯切換使低σ CPDMS和高σ AgNWs憑借顯著不同的導電性產生低初始電流和高***終電流，在不依賴微結構調節的情況下提升靈敏度，且不會以犧牲靈敏度為代價拓寬線性范圍 。

（二）LGC配置定制與傳感器性能優化

1. 梯度導電性影響：對比具有梯度導電性（GC）和無梯度導電性（NGC）傳感器的相對電流變化，GC傳感器（高σ AgNWs薄膜完全覆蓋低σ CPDMS層）在0-200 kPa寬線性范圍內具有1341.95 kPa?1的超高靈敏度，而NGC傳感器（僅CPDMS層或AgNWs薄膜）靈敏度（NGC-CPDMS為201.63 kPa?1，NGC-AgNWs為92.56 kPa?1）和線性范圍（約0-2 kPa）均有限。這是因為GC傳感器的梯度導電性降低了電流變化對接觸電阻的高度依賴，CPDMS壓縮時體電阻與接觸電阻協同變化實現線性電流變化，且梯度導電性同時帶來低初始電流和高***終電流，提升靈敏度。但GC傳感器中CPDMS層在高壓下受軟材料硬化效應限制，壓縮受限后電流變化受接觸電阻主導而衰減。

2. CPDMS厚度影響：增加GC傳感器中CPDMS層厚度可延遲其壓縮過程，拓寬線性范圍（從24μm厚時的0-200 kPa增至60μm厚時的0-320 kPa），但會導致同等壓力下電阻增大、電流降低，靈敏度顯著下降。綜合考慮，選擇約24μm厚的CPDMS層構建LGC，以在保持較寬線性范圍的同時獲得較高靈敏度。

3. LGC關鍵參數優化：通過分析GC電阻層機械變形，確定LGC中CPDMS層覆蓋度約為0.4（基于LGC微圓頂中被覆蓋組件的高度百分比定義）。以此覆蓋度構建的LGC?.?@3傳感器（下標0.4為低σ CPDMS覆蓋度，3為高σ AgNWs薄膜層數）在0-3000 kPa超寬線性范圍內展現出1546.35 kPa?1的超高靈敏度，且在0-200 kPa壓力區間與GC@3傳感器電流變化相似，證實串并聯切換在約200 kPa壓力下按設計實現。高σ AgNWs組件的導電性需與低σ CPDMS匹配，以確保串聯和并聯階段電流變化率***致，實現全局線性；CPDMS層覆蓋度過低會導致高壓組件過早與上電極接觸，使電流提前飽和，過高則延遲高壓組件主導作用，導致串聯階段電流變化衰減，覆蓋度約0.4為***優選擇 。

（三）LGC基傳感器性能表征

1. 微小壓力響應：在不同預加載壓力（約1、10、100、900、1800 kPa）下，傳感器能很好地識別數十帕至數十千帕的微小壓力變化，證明其在全壓力范圍內可保持高壓力分辨率。

2. 電學特性：傳感器的I-V曲線呈線性，表明所用導電層導電性良好，符合歐姆定律，且在不同工作電壓下具有出色的電學穩定性。

3. 動態性能：加載和卸載過程中電流變化重復性好，無明顯滯后；對不同壓力的逐步加載和卸載表現出近似相同的穩定性；響應/恢復時間低于100 ms，能快速響應壓力變化。

4. 性能對比：與已報道的其他傳感器相比，該傳感器是***個在如此寬的線性范圍內實現超高靈敏度的壓阻式觸覺傳感器，性能優勢顯著。且通過提高低σ和高σ組件的導電性以及所用彈性體的彈性模量，傳感器性能仍有提升空間 。

（四）LGC基傳感器應用演示

1. 醫療健康監測：作為可穿戴設備，傳感器不受佩戴松緊度影響，能可靠檢測手腕脈搏（可清晰識別典型波形，如叩擊波、潮波和舒張波，平均頻率約83次/分鐘）、不同呼吸狀態（可區分正常呼吸、快速呼吸和咳嗽）、聲音振動（附著于頸部可識別單音節和雙音節單詞的發音）、關節彎曲（附著于肘部可根據彎曲程度輸出不同強度信號）以及身體運動（附著于腳部可區分站立、行走、跑步和跳躍等動作）。

2. 智能***居控制：憑借超高靈敏度和超寬線性范圍，傳感器可通過不同強度的力輸入輸出多種信號，將其編碼為指令。基于1位、2位和3位編碼系統，單個傳感器可傳輸多種控制指令（如3位編碼系統可傳輸39種不同指令），通過LabView輔助，成功實現對不同房間照明的動態控制，且操作便捷，無需專業培訓，信號處理簡化。

3. 智能車輛地面檢測：將尺寸約4×4 mm2的傳感器附著于10 kg車輛模型的后輪，在平坦地面上，傳感器信號強度幾乎不變，通過信號頻率可反映車輛速度變化，進而計算出車輛運行時的詳細速度和加速度；傳感器能根據車輪負載變化反映地面坡度變化（上坡時后輪負載增加，信號強度整體升高，下坡時則降低），并可識別地面凹凸度（凸點會使傳感器承受額外壓力，信號強度異常升高，凹點則使壓力減小，信號強度異常降低），可在非視距條件下補充智能車輛地面檢測功能 。

四、總結與展望

本研究提出的局部梯度導電性（LGC）設計，通過在微圓頂結構的高σ AgNWs薄膜上部分覆蓋低σ CPDMS層，實現了壓力驅動的串并聯切換，成功解決了壓阻式傳感器高靈敏度與寬線性范圍相互制約的難題。低壓力階段，低σ CPDMS層主導電流變化，通過體電阻與接觸電阻協同作用實現線性電流變化；高壓力階段，高σ AgNWs薄膜主導，維持電流增加率，結合合理的覆蓋度和導電梯度，實現了0-3000 kPa超寬線性范圍和1546.35 kPa?1超高靈敏度的優異性能。傳感器同時具備良好的重復性、穩定性、耐用性和快速響應特性，在醫療健康監測、智能***居控制和智能車輛地面檢測等領域展現出巨大應用潛力，可不受佩戴松緊度影響實現***生理信號檢測，作為高效指令發射器實現智能***居控制，還能彌補傳統光學技術不足，輔助智能車輛完成地面檢測 。

未來可通過提高低σ和高σ組件的導電性，以及增加所用彈性體的彈性模量（延遲微結構變形，使串聯和并聯階段的線性電流變化在更寬壓力區間保持，進***步拓寬線性范圍），持續優化傳感器性能。當前研究涉及導電性匹配和多步制造等問題，后續可探索采用原位印刷技術結合合適材料，簡化制備流程，降低生產成本，推動傳感器的規模化生產和實際應用。除現有應用外，可進***步探索傳感器在更多領域的應用，如機器人觸覺感知、虛擬現實/增強現實交互、精密制造檢測等，充分發揮其高靈敏度和寬線性范圍的優勢。將傳感器與其他功能模塊（如信號處理模塊、無線傳輸模塊等）集成，開發具備智能化分析和決策能力的觸覺傳感系統，提升其在復雜場景下的應用價值 。

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