柔性壓力傳感器因其在人形機(jī)器人、生物醫(yī)療和人機(jī)交互等前沿領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力而備受關(guān)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(diǎn)成為研究熱點(diǎn)，但其性能（尤其是靈敏度和線性度）長(zhǎng)期以來(lái)受限于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。這極大地制約了其在需要精確力反饋與動(dòng)態(tài)控制的復(fù)雜場(chǎng)景中的應(yīng)用。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，北京大學(xué)電子學(xué)院胡又凡-彭練矛團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的“接觸主導(dǎo)的局域電位移場(chǎng)增強(qiáng)”設(shè)計(jì)策略。該策略通過(guò)巧妙地設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)，成功地在寬壓力范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)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(shè)計(jì)包含兩個(gè)核心要素：一是由魯棒的導(dǎo)電復(fù)合材料與金屬覆蓋層構(gòu)成的分級(jí)微結(jié)構(gòu)電極；二是通過(guò)薄層或高介電常數(shù)（high-k）材料實(shí)現(xiàn)的具有高單位面積電容的介電層。這種設(shè)計(jì)使得傳感器的電容變化主要由接觸區(qū)域的局域增強(qiáng)電場(chǎng)主導(dǎo)，從而突破了傳統(tǒng)傳感器的性能瓶頸。
圖1. 接觸主導(dǎo)的局域電位移場(chǎng)增強(qiáng)型壓力傳感器。
a, 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，展示了分級(jí)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(shì)分布的橫截面圖。
該團(tuán)隊(duì)研制的傳感器展現(xiàn)了世界領(lǐng)先的性能。其壓力響應(yīng)（歸一化電容變化量）超過(guò)3000，比以往的最高紀(jì)錄提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上；傳感范圍超過(guò)1兆帕（MPa），部分器件可達(dá)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(shí)現(xiàn)了高達(dá)9.22 kPa?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(jī)械魯棒性、對(duì)微小壓力（0.1帕）的超高分辨率以及快速響應(yīng)能力（約15毫秒）。
圖2. 接觸主導(dǎo)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(guān)系曲線，展示了其超高的響應(yīng)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(shè)計(jì)在靈敏度和響應(yīng)范圍上均實(shí)現(xiàn)了突破。e, 小壓力下的壓力響應(yīng)，可以分辨出~1 Pa時(shí)歸一化電容變化的十分之一（即~0.1 Pa）。
研究進(jìn)一步揭示了該設(shè)計(jì)的工作機(jī)理。分級(jí)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(yīng)變保持在線性區(qū)域內(nèi)，保證了寬范圍的線性響應(yīng)。而“導(dǎo)電復(fù)合材料+金屬覆蓋層”的混合電極設(shè)計(jì)，則巧妙地解決了薄金屬層在形變下容易開(kāi)裂失效的問(wèn)題，保證了信號(hào)的穩(wěn)定與可靠。基于其卓越的性能，團(tuán)隊(duì)將此傳感器與柔性低維半導(dǎo)體晶體管集成，在2.66伏的低工作電壓下，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)4x10?的電學(xué)響應(yīng)，充分利用了晶體管的開(kāi)關(guān)比，極大地提升了集成器件的信噪比。
團(tuán)隊(duì)通過(guò)兩個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景展示了該技術(shù)的巨大潛力。在流體物理性質(zhì)評(píng)估中，搭載該傳感器的機(jī)械臂能夠精確測(cè)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(dòng)態(tài)變化。在機(jī)器人操控任務(wù)中，集成該傳感器的機(jī)械手能夠根據(jù)物體的剛度自適應(yīng)地控制抓取力，無(wú)論是柔軟的棉花還是堅(jiān)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(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，其壓力分辨率比人類皮膚高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖3. 壓力傳感器在機(jī)器人精準(zhǔn)操控中的應(yīng)用。
a, 配備傳感器的機(jī)械手抓取棉花的照片。b, 抓取各種物體時(shí)壓力變化的動(dòng)態(tài)。c, 配備傳感器的機(jī)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(shí)的壓力變化和速度調(diào)整。e, 傳感器檢測(cè)到的機(jī)械振動(dòng)引起的測(cè)量壓力變化。f, 配備傳感器的機(jī)械手夾持器抓取裝滿水的量筒的照片。g, 抓取量筒時(shí)夾持器的壓力變化和速度調(diào)整。
以上相關(guān)成果以《接觸主導(dǎo)的局域電位移場(chǎng)增強(qiáng)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(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目以及納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。北京大學(xué)電子學(xué)院博士后馬超、湖南先進(jìn)傳感與信息技術(shù)研究院碩士生葉懷東、東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士生史曉微和北京大學(xué)電子學(xué)院博士生陳雨凡為論文共同第一作者，胡又凡長(zhǎng)聘副教授和彭練矛院士為論文共同通訊作者。該成果為下一代高性能柔性電子學(xué)、智能機(jī)器人和人機(jī)交互系統(tǒng)的發(fā)展提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐，有望推動(dòng)其在更廣泛領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。
