西安交大科研人员基于压力传感器在电子皮肤领域取得新进展

电子皮肤在假肢、机器人技术和人工智能等新兴领域引起了广泛关注。作为电子皮肤的关键部分，开发具有慢适应I型(SA?I)机械感受器特性的柔性压力传感器至关重要，这不仅需要传感器在小压力范围(小于10 kPa)探测微小静态压力变化，而且要确保在中等压力范围(10-100 kPa)对静态压力可精确稳定地进行控制，以完成日常的操纵性任务。目前，研发兼具宽压力范围、快速响应时间、线性和低滞回压力响应的灵敏且稳定的柔性压力传感器仍具有挑战。

近日，西安交通大学李盛涛教授课题组联合美国加州大学洛杉矶分校Prof. Yu Huang(黄昱教授)和Prof. Xiangfeng Duan(段镶锋教授)课题组报道了基于具有微金字塔结构的PDMS/CNT(聚二甲基硅氧烷/碳纳米管)导电复合材料高性能柔性电阻式压力传感器简单直接的设计方法。基于传感器的工作机理，从电路模型(路)和有限元数值仿真(场)两方面，揭示了与以往的设计——微金字塔表面涂覆很薄的导电层相比，该设计方法可提供更宽的压力量程和更高的灵敏度。结合数值仿真和实验结果揭示了传感器的压力响应取决于其间距与基底长度之比，而不仅仅依赖于间距，且当间距与基底长度为1:1时，可获得优异的综合性能以模拟SA-I机械感受器，该优化设计比例的压力传感器可在小压力范围和中等压力范围下提供高灵敏度、快速响应时间、高力学稳定性、低工作电压和低功耗，高线性度和低滞回以及微米尺度高度均一的优异综合性能。基于该优化设计比例的传感器，构建了可实时地将幅值信号转化为频率信号且进行无线传输的压力传感系统，以及可实时进行空间分辨的压力传感阵列平台。此外，鉴于微金字塔结构的广泛应用，基于导电复合材料的微金字塔结构也可被集成到电容式、晶体管式、摩擦电式等其他类型的传感器以获取高的机械稳定性。