“連一粒米的碎片、一根羽毛所帶來的壓力都能感受出來。”近日，中科院深圳先進院集成所光子信息與能材料研究中心（以下簡稱研究中心）在壓力傳感器領域取得新進展，相關成果發表於材料領域權威期刊美國化學學會《應用界面材料》。
△ 論文的第一作者，深圳先進院陳明副研究員（左二），通訊作者是李文傑副研究員，鍾國華副研究員和楊春雷研究員。
在接受採訪時，論文的第一作者，深圳先進院陳明副研究員告訴讀創/深圳商報記者，這次的突破主要體現在壓力傳感器的綜合性能得到提高：壓力傳感器更靈敏，響應時間更快，實現了更低的檢測極限。
傳感器界的“豌豆公主”
目前已有電阻式、壓電式、電容式、離電子式的柔性壓力傳感技術，陳明告訴記者，研究中心取得最新進展的壓力傳感器屬於電阻式。他用一段實驗視頻向記者展示了壓力傳感器快速響應及低檢測極限的含義。
實驗室環境內懸掛著一顆乒乓球，不施加外力。右側機械臂的食指上裝置了研究中心最新的壓力傳感器。食指靠近乒乓球，在觸碰到球表面的瞬間又縮了回去。陳明表示，研究中新最新的壓力傳感器響應時間為90us（微秒），而傳統的壓力傳感器響應時間一般為40-50 ms級別（毫秒）。
此外，陳明解釋，肉眼看到乒乓球是靜止的，實際上它受到流動空氣的影響，有輕微的抖動，肉眼看不見的抖動，壓力傳感器可以檢測到，這說明我們的壓力傳感器具有更低的檢測極限。
陳明說，低檢測極限意思是能檢測到外來的非常低的壓力，是衡量傳感器靈敏度的指標之一。“我們的檢測極限達到了0.36Pa（帕斯卡）。”陳明解釋，這意味著，一顆米粒的碎片、一根羽毛，或者說一句話、輕呼一口氣所帶來的壓力，都能被傳感器捕捉。
陳明還提到了“信噪比”的概念。在視頻中可以看到，當食指上的傳感器碰到乒乓球表面，電腦屏幕顯示電流曲線垂直上升，在食指離開球表面的時候，曲線垂直回到水平狀態。
陳明表示，信噪比低的傳感器容易受到干擾，曲線會呈波動上升下降的狀態，而該傳感器檢測信號時，不易受到干擾，檢測到的信號大於“噪音”，因此曲線很乾淨，直上直下。
新突破有望應用於精工領域
記者瞭解到，此次陳明在檢測極限和靈敏度上取得的進展要歸功於製備材料和接觸點調製技術的配合使用，也就是柔性聚酰亞胺薄膜+粗糙叉狀電極+聚二甲基硅氧烷薄膜微結構的組合。
△ 不同微結構的壓力傳感器傳感特性，其中“粗糙-粗糙”型傳感器具備超高的靈敏度及最寬的動態範圍，研究中心此次取得突破的壓力傳感器所用的正是“粗糙-粗糙”型調製技術。
陳明說，電阻式壓力傳感器的原理是壓力改變電阻，進而改變電流，電流反應出壓力變化。傳統的方案是導電傳感材料和傳感器襯底實現面接觸——
可以想象為我們的左手掌塗上了導電傳感材料，按壓到右手掌上，兩個平面完全接觸在一起。陳明在襯底上加上了粗糙叉狀電極，可以想象為在手上撒上一些沙子。這時，左手掌按壓到右手掌時，會先接觸到一粒粒沙子，隨著壓的力度加大，左手掌才會接觸到右手掌。通過這樣的改變，在同樣按壓力度下，電流的變化更大。
這意味著，按壓力度不變，電流變化變大了，傳感器能更明顯地感受到壓力變化。
△ 傳感器可用於檢測微弱壓力（米粒），檢測極限達到了0.36Pa（帕斯卡）。也可用於實時監測人體脈搏。
陳明提到，更低的檢測極限，能檢測到輕微的壓力，拓展了其在精工領域的應用。下一步，他希望推進其在生物醫學，健康監測和人工智能等方向的應用。
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來源 讀創App 項目來啦
讀創/深圳商報記者 李旖露
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