中国科学出版社 微柱结构离子电子压力传感器示意图及截面扫描电镜图像
信用:中国科学出版社 近年来，随着柔性电子皮肤的快速发展，高性能柔性触觉传感器受到越来越多的关注，并被应用于人工智能、健康监测、人机交互和可穿戴设备等领域
在各种传感器中，柔性电容式触觉传感器具有灵敏度高、能耗低、响应速度快、结构简单等优点
灵敏度是传感器的一个重要参数
提高灵敏度的常用方法是引入微结构并在界面处使用离子介电材料，以形成具有超高比电容的纳米级离子-电子界面
然而，由于材料的不可压缩性和结构的高稳定性设计，传感信号的线性度差，压力响应范围窄
具有高线性度的传感器便于电容和压力之间的转换
它可以大大简化电路设计和数据处理系统，提高传感系统的响应速度
因此，生产高线性度和高灵敏度的柔性压力传感器成为柔性电子皮肤发展的关键问题
近年来，南方科技大学材料科学与技术系川郭飞课题组在高线性柔性压力传感器的研究方面取得了进展
他们通过设计具有大纵横比的表面微柱结构的柔性电极来改善该结构的可变形性，该结构容易弯曲并失去稳定性
结合离子凝胶介质层，传感器具有高线性度(R2~0
999)和高灵敏度(33
在12-176千帕的宽压力范围内
(一)灵敏度曲线和微观结构变形截面扫描电镜图像
(2)不同弹性模量和微柱结构材料在压力下的压缩截面扫描电镜图像和接触面积变化曲线
信用:中国科学出版社 微柱在压力下经历三个变形阶段；初始接触(0-6千帕)、结构屈曲(6-12千帕)和屈曲后阶段(12-176千帕)
在后屈曲阶段，信号表现出高线性和高灵敏度
高线性在于微柱结构电极和介电层的模量匹配
微柱由弹性模量为1兆帕的硅橡胶聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，离子凝胶膜的弹性模量为5兆帕
通过有限元分析(FEA)，可以知道当材料用微柱结构挤压时，具有兆帕模量的材料将产生线性接触面积变化，这与实验中获得的线性灵敏度相匹配
除了高线性灵敏度之外，该传感器还具有低检测极限(0
9帕)、低响应时间(9毫秒)和高稳定性(在6000次压缩/弯曲循环中，信号保持稳定)
根据传感器的性能，他们进行了一系列的应用实验
在假手的中指段上附着一个传感器，用来举起不同重量的重物，传感器信号显示出重量均匀增加的阶跃变化(~372 pF/g)
然后，将多个(21)传感器连接到机械手以进行物体抓取实验
传感器阵列能够更好地反映被抓物体的压力分布
该传感器还用于人体桡动脉的检测，在不同的预压力(10
23 ~ 17
75千帕)，如图
三
在足底压力分布测试中，传感器阵列可以清晰地反馈不同状态下的压力分布差异
传感器应用实验和数据
信用:中国科学出版社 传感器的高线性灵敏度来源于表面微柱结构的设计以及电极和介电材料机械性能的匹配
欧拉稳定性原理、有限元分析和扫描电子显微镜表征的结合解释了线性灵敏度的原因
机械手的举重实验和抓取实验、人体脉搏检测和足底压力分布测试表明，该传感器在智能机器人、人机交互、健康监测等领域具有很大的应用潜力
这项工作也为柔性线性传感器的研究提供了新的设计思路
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