柔性壓力傳感器在健康監(jiān)測(cè)與診斷、機(jī)械假肢和人機(jī)交互等關(guān)鍵醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中起著重要的作用。在很多應(yīng)用場(chǎng)景中，高靈敏度和寬線性響應(yīng)范圍的柔性壓力傳感器是準(zhǔn)確捕捉壓力刺激信號(hào)的關(guān)鍵條件。對(duì)于具有多個(gè)線性區(qū)間的壓力傳感器，在實(shí)際應(yīng)用中需要額外的電路和信號(hào)處理來滿足不同的壓力負(fù)載范圍。此外，在傳感器封裝以及固定到皮膚表面時(shí)，不可避免地存在預(yù)載壓力。例如，對(duì)于一些微弱的生理信號(hào)，通常需要更高的預(yù)載壓力以最大程度地提取皮膚信號(hào)。預(yù)載壓力往往會(huì)超出高靈敏度的有效壓力范圍，降低傳感器對(duì)微小壓力刺激的感知能力。因此，寬線性響應(yīng)范圍內(nèi)具有高靈敏度的特性對(duì)于實(shí)現(xiàn)高壓力分辨率、高信噪比以及簡(jiǎn)化信號(hào)處理過程至關(guān)重要。
目前，已報(bào)道的大多數(shù)電阻型壓力傳感器的有效檢測(cè)范圍主要集中在500 kPa內(nèi)，包括2~3個(gè)線性區(qū)間，具有最高靈敏度的線性響應(yīng)范圍通常在200 kPa內(nèi)，當(dāng)受到更大壓力負(fù)載時(shí)靈敏度會(huì)顯著下降。顯然，高靈敏度和寬檢測(cè)范圍之間存在著制約關(guān)系。為了克服這一限制，復(fù)雜的微觀多層結(jié)構(gòu)、梯度微納結(jié)構(gòu)界面及孔隙設(shè)計(jì)策略成功實(shí)現(xiàn)了超過1000 kPa的超寬檢測(cè)范圍和高靈敏度壓力傳感器。然而，構(gòu)建具有高精度和多維度的微納結(jié)構(gòu)往往需要精準(zhǔn)的技術(shù)和更高的加工成本，這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)策略和制作工藝不利于傳感器的可重復(fù)性和可靠性。構(gòu)筑三維多孔結(jié)構(gòu)和多層微納結(jié)構(gòu)的方法導(dǎo)致了器件厚度增加，限制了傳感器對(duì)皮膚和復(fù)雜表面的最佳順應(yīng)性和附著能力。因此，現(xiàn)有的解決方案仍然存在制作工藝復(fù)雜、制作成本高和器件尺寸難以滿足需求等問題（圖 1所示），柔性可穿戴傳感器的實(shí)用化仍然具有挑戰(zhàn)性。
圖1. 本工作與已報(bào)道研究中寬量程電阻型柔性壓力傳感器比較：解決方案和設(shè)計(jì)策略、器件結(jié)構(gòu)、工藝復(fù)雜性、制作成本、器件厚度
最近，吉林大學(xué)張彤教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于Janus導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的壓阻傳感器。該結(jié)構(gòu)由雙電阻敏感層組裝而成，電流傳輸路徑在寬量程內(nèi)由壓力引起的階段性轉(zhuǎn)變有效地緩解了傳感器電阻變化的飽和速率。所構(gòu)筑的壓力傳感器具有0-3800 kPa的超寬檢測(cè)范圍，在0-1000 kPa范圍內(nèi)具有4.11 kPa-1的高靈敏度和99.9%的線性度。與已報(bào)道的超寬量程的壓阻型傳感器相比，該工作中傳感器表現(xiàn)出更高的靈敏度和更寬的線性響應(yīng)范圍。研究中選擇纖維素納米纖維（CNFs）紙作為基底，將CNFs/CNTs復(fù)合纖維紙作為敏感層，簡(jiǎn)單的材料制備和器件組裝工藝有效簡(jiǎn)化了制作工藝并降低了成本，傳感器具有200μm的超薄器件厚度以適應(yīng)形變。此外，在表面設(shè)計(jì)策略中采用的復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)極易在長(zhǎng)期重復(fù)和高強(qiáng)度機(jī)械壓力負(fù)載下發(fā)生老化，與立體的微納結(jié)構(gòu)界面設(shè)計(jì)相比，紙張?zhí)峁┝艘粋(gè)相對(duì)平坦的接觸界面從而避免類似問題的發(fā)生，傳感器能夠在高壓負(fù)載重復(fù)下，保持良好的穩(wěn)定性和耐久性。該工作提出了一種開創(chuàng)性的方法，實(shí)現(xiàn)了一種有效的兼顧電阻型柔性壓力傳感器敏感性能、器件體積和工藝成本的最佳解決方案。
圖7. 壓力傳感器陣列的設(shè)計(jì)及其在步態(tài)分析中的應(yīng)用:（a）4×11像素壓力傳感器陣列的結(jié)構(gòu)示意圖;（b）無線足底壓力分布檢測(cè)系統(tǒng)照片;（c）無線步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的組成部分;（d）足部可分為三個(gè)區(qū)域：前掌、足中部和腳跟，以及相應(yīng)的足底壓力分布譜圖;（e）下蹲過程中的足底壓力分布譜圖，分為三種情況：前傾、居中和后傾；（f）一個(gè)完整步態(tài)周期的足底壓力分布譜圖，從跟足觸地到前掌觸地過程
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202316314
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