電子學院胡又凡-彭練矛團隊在高性能壓力傳感領域研究中取得重要進展
柔性壓力傳感器因其在人形機器人、生物醫(yī)療和人機交互等前沿領域的巨大應用潛力而備受關注。其中，電容式壓力傳感器以其低功耗、高穩(wěn)定性等優(yōu)點成為研究熱點，但其性能（尤其是靈敏度和線性度）長期以來受限于傳統(tǒng)的設計思路，這極大制約了其在需要精確力反饋與動態(tài)控制的復雜場景中的應用。
針對這一挑戰(zhàn)，北京大學電子學院胡又凡-彭練矛團隊提出了一種全新的“接觸主導的局域電位移場增強”設計策略。該策略通過巧妙地設計傳感器結(jié)構(gòu)，成功地在寬壓力范圍內(nèi)同時實現(xiàn)了超高的靈敏度、極佳的線性度和廣闊的傳感范圍。這一設計包含兩個核心要素：一是由魯棒的導電復合材料與金屬覆蓋層構(gòu)成的分級微結(jié)構(gòu)電極；二是通過薄層或高介電常數(shù)（high-k）材料實現(xiàn)的具有高單位面積電容的介電層。這種設計使得傳感器的電容變化主要由接觸區(qū)域的局域增強電場主導，從而突破了傳統(tǒng)傳感器的性能瓶頸。
圖1. 接觸主導的局域電位移場增強型壓力傳感器。a，傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，展示了分級微結(jié)構(gòu)電極與高單位面積電容的介電層。b，施加壓力之前和高壓下的電勢分布的橫截面圖
該團隊研制的傳感器展現(xiàn)了世界領先的性能。其壓力響應（歸一化電容變化量）超過3000，比以往的最高紀錄提升了一個數(shù)量級以上；傳感范圍超過1兆帕（MPa），部分器件可達2兆帕。尤為突出的是，該傳感器在0—100千帕（kPa）的寬壓力范圍內(nèi)，實現(xiàn)了高達9.22kPa?1的靈敏度和0.9998的近乎完美的線性度（R2值）。此外，該傳感器還展示了出色的機械魯棒性、對微小壓力（0.1帕）的超高分辨率以及快速響應能力（約15毫秒）。
圖2. 接觸主導的壓力傳感器的性能表征。a—c，傳感器的歸一化電容變化與壓力關系曲線，展示了其超高的響應和優(yōu)異的線性度。d，與此前各類微結(jié)構(gòu)壓力傳感器相比，該設計在靈敏度和響應范圍上均實現(xiàn)了突破。e，小壓力下的壓力響應，可以分辨出~1Pa時歸一化電容變化的十分之一（即~0.1Pa）
研究進一步揭示了該設計的工作機理。分級微結(jié)構(gòu)確保了在不同壓力下，總有新的微結(jié)構(gòu)參與接觸，從而將材料的應變保持在線性區(qū)域內(nèi)，保證了寬范圍的線性響應。而“導電復合材料+金屬覆蓋層”的混合電極設計，則巧妙地解決了薄金屬層在形變下容易開裂失效的問題，保證了信號的穩(wěn)定與可靠。基于其卓越的性能，團隊將此傳感器與柔性低維半導體晶體管集成，在2.66伏的低工作電壓下，實現(xiàn)了高達4x10?的電學響應，充分利用了晶體管的開關比，極大地提升了集成器件的信噪比。
團隊通過兩個典型應用場景展示了該技術的巨大潛力。在流體物理性質(zhì)評估中，搭載該傳感器的機械臂能夠精確測量不同液體的靜水壓，從而估算其密度，并能捕捉到液滴表面張力引起的微小動態(tài)變化。在機器人操控任務中，集成該傳感器的機械手能夠根據(jù)物體的剛度自適應地控制抓取力，無論是柔軟的棉花還是堅硬的乒乓球都能穩(wěn)定抓取且不變形，甚至能在物體滑落時進行動態(tài)調(diào)整，其壓力分辨率比人類皮膚高出一個數(shù)量級。
圖3. 壓力傳感器在機器人精準操控中的應用。a，配備傳感器的機械手抓取棉花的照片。b，抓取各種物體時壓力變化的動態(tài)。c，配備傳感器的機械手抓取裝有水的瓶子的照片。d，抓取和提起瓶子以及發(fā)生滑落時的壓力變化和速度調(diào)整。e，傳感器檢測到的機械振動引起的測量壓力變化。f，配備傳感器的機械手夾持器抓取裝滿水的量筒的照片。g，抓取量筒時夾持器的壓力變化和速度調(diào)整
以上相關成果以《接觸主導的局域電位移場增強型壓力傳感》（“Contact-dominated localized electric-displacement-field-enhanced pressure sensing”）為題，于2025年8月29日在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目以及納米器件物理與化學教育部重點實驗室的支持。北京大學電子學院博士后馬超、湖南先進傳感與信息技術研究院碩士生葉懷東、東南大學機械工程學院碩士生史曉微和北京大學電子學院博士生陳雨凡為論文共同第一作者，胡又凡和彭練矛為論文共同通訊作者。該成果為下一代高性能柔性電子學、智能機器人和人機交互系統(tǒng)的發(fā)展提供了關鍵的技術支撐，有望推動其在更廣泛領域的創(chuàng)新應用。
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