清华大学Nano Energy: 新范式！基于梯度成分调控的柔性压力传感器设计策略以实现宽量程下的灵敏度巨幅提升

【引言】

近年来，伴随着生理信号监测、软体机器人、人机交互等领域的飞速发展和迫切需求，电子皮肤（electronic skins）的研究方兴未艾。柔性压力传感器通过对外界力学刺激产生信号响应，以模仿人类的触觉感知过程，是电子皮肤中一类重要元件。在所有压力传感器中，压阻式传感器由于其相对简易的原理、结构和制备工艺吸引了大量研究者的关注。器件灵敏度和量程是压力传感器件的关键性能指标，然而从原理上二者具有本征性的折衷（trade-off）效应。兼具宽量程、高灵敏度的柔性压力传感器件一直是学者孜孜以求的目标。在广大研究者的努力下，尽管压力传感器的量程及灵敏度得以持续改善，然而迄今为止，压阻式传感器件的优化理念均基于结构优化的思想，即通过精巧的结构设计，以充分增大器件传感区域的接触面积（导电通道）随压力的变化量，从而带来器件灵敏度的提升。而随着大量各式纳米、微/纳复合材料已被充分开发，以及器件各型宏观堆叠架构的充分改良，单纯基于结构优化理念的传统压阻式传感器件设计手段愈发难以支撑器件综合性能的大幅有效提升。因而，亟需基于全新范式的宽量程、高灵敏度柔性压力传感器件设计策略。

【成果简介】

近日，清华大学邹贵生、刘磊课题组的研究人员跳出传统的结构优化设计思路的窠臼，创新性地提出了一种基于梯度成分调控的柔性压力传感器件设计策略，实现了宽量程下的器件灵敏度的巨幅提升。通过超快激光沉积和激光微直写技术，研究人员制备出具有梯度表层成分的、由Cu和FeO_x纳米颗粒构筑而成的多级垄式传感架构。对于压力传感过程，在传统的针对接触面积的调控手段之外，首次引入了梯度成分策略，通过局域性地调控各纳米颗粒垄表层Cu和FeO_x的成分占比，可大幅调整相应接触界面区域的电导率，从而极大地提升了器件的灵敏度。在保持330 kPa量程的情况下，引入梯度成分调控策略的传感器相较于未引入该策略的传感器的最大灵敏度实现了85倍的提升。通过定量化压力传感模型的构建和计算，从原理上揭示了该梯度成分调控策略能够与传统的结构优化策略兼容，甚至可对器件灵敏度起到优越的倍乘性协同提升效应 （G=P:(A∘K)）。此外，借助于激光微直写技术的局域化、高精度加工特性，纳米颗粒垄的成分因素和结构因素均得以有效调控，加之各级垄在受压时的多级、有序接触特性（programmable），有助于实现传感器性能的按需设计与制造。最后，基于梯度成分调控策略制备的压力传感器在生理信号监测、动作捕捉、信号编码等领域实现了有效应用，展示了该器件设计策略的良好实用性。该成果以题为“A Programmable, Gradient-Composition Strategy Producing Synergistic and Ultrahigh Sensitivity Amplification for Flexible Pressure Sensing”在国际著名期刊Nano Energy发表。第一作者为清华大学博士生冯斌。

【图文导读】

Figure 1. 基于梯度成分调控的柔性压力传感器设计策略及典型实现手段。

a)设计策略。

b)典型实现手段。

Figure 2. 具有梯度表层成分的多级纳米颗粒垄的表征。

a)沉积态的Cu–FeO_x 纳米颗粒异质层。

b)分别经1，3，5，7道次激光直写处理后的4级纳米颗粒垄的光镜图像。

c)各级纳米颗粒垄表层的成分演变。

d–f) 各级纳米颗粒垄表层的Cu占比、接触电阻和垄高度演变。

Figure 3. 基于梯度成分调控策略制备的压力传感器的性能测试。

a)基于（最右一种）和非基于（前三种）梯度成分调控策略的传感架构的示意图。

b, c) 压力传感器测试曲线。

d)总体灵敏度比较。

e)与文献中报道的典型双层互锁型压力传感器的性能对比。

f)压力传感器的响应时间。

g)压力传感器循环测试表现。

Figure 4. 基于梯度成分调控策略制备的压力传感器的传感机理。

a)一个含4级，7×7通道压力传感模型。

b,c) 一个通道的界面微观接触形貌的示意图及其简化模型。

d,f) 非基于和基于梯度成分调控策略的各通道的归一化电导。

e,g) 基于模型计算得到的电导的变化量随压力的关系。

h)通过控制各级纳米颗粒垄的成分因素和结构因素，器件的灵敏度和量程可以有效调控。

i)梯度成分调控策略用于不同的材料组合。

Figure 5. 基于梯度成分调控策略制备的压力传感器的应用场景。

a)测量微小压力。

b, c) 脉搏监测。

d, e) 手部动作监测。

f) 脚部动作监测。

g, h) 信息编码。

【总结】

兼具宽量程和高灵敏度的压力传感器一直是传感器研发的关键难点之一。现如今，基于结构优化的传统压力传感器设计策略的潜力被逐渐充分挖掘。在此背景之下，本项工作另辟蹊径，提出了基于梯度成分调控的柔性压力传感器设计策略，开启了压阻式压力传感器设计的全新范式，实现了宽量程下的器件灵敏度的巨幅提升，并在多种应用场景中展示了良好的实用性。借助于激光微纳加工技术的局域化、高精度加工特性，可方便地实现器件性能的按需设计与制造。本项工作在传统的结构调控因素之外，为压力传感器的设计首次引入了成分调控因素，并证实了成分调控因素对于器件性能提升的巨大潜力，以及该策略与传统策略的优越的协同式兼容性。有望引启新一轮柔性压力传感器的性能突破，为面向电子皮肤的柔性传感元件的发展提供新的动力源泉。

清华大学博士生冯斌为论文第一作者，清华大学刘磊副教授为论文通讯作者，清华大学邹贵生教授协助论文指导。清华大学朱宏伟教授课题组、吴爱萍教授课题组亦参与到本研究。清华大学博士生王文淦、董明晔、肖宇、任辉、赵轩亮、赵冠雷参与了本研究工作。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

【文献链接】

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