摘要：柔性压力传感器在可穿戴设备、物联网和机器人等领域有着重大的应用潜力。为了满足相应的需求，需要传感器具有较高的灵敏度和较宽的线性检测范围，而这二者往往难以兼得。目前的高灵敏度器件通常具有较窄的压力检测范围，限制了其在较大压力应用场景中的使用；另一方面，具有较宽检

柔性压力传感器在可穿戴设备、物联网和机器人等领域有着重大的应用潜力。为了满足相应的需求，需要传感器具有较高的灵敏度和较宽的线性检测范围，而这二者往往难以兼得。目前的高灵敏度器件通常具有较窄的压力检测范围，限制了其在较大压力应用场景中的使用；另一方面，具有较宽检测范围的器件则通常具有很低的灵敏度，导致其对微小力的感知不敏感且测量信号较弱。

鉴于此，北京航空航天大学潘曹峰教授和鲍容容教授团队提出了一种仿生狗尾草的电阻型柔性压力传感器，同时实现了29.7 kPa-1的高灵敏度和高达2250 kPa的超宽线性检测范围。本工作中，作者在静电纺丝TPU骨架上利用水热法垂直生长氧化锌纳米线（ZnO NWs），得到了具有仿生狗尾草形貌的三维互锁结构，可以承受异常高的压力。利用TPU/ZnO NWs为灵敏层制备的压力传感器可以精准感知脉搏信号和手指弯曲等微小力，同时还能进行跳跃等强劲运动信号的检测，为压力传感器在可穿戴电子设备、人机交互和机器人等领域的应用提供了简单而有效的方案。

图 1 灵敏层制备和宽范围压力检测

近日，该工作以“Wide Detection Range Flexible Pressure Sensors Based on 3D Interlocking Structure TPU/ZnO NWs”为题发表在 Advanced Functional Materials，论文共同通讯作者为北京航空航天大学潘曹峰教授和鲍容容教授、中国科学院北京纳米能源与系统研究所高文超青年研究员。

【器件形貌表征】

电阻型TPU/ZnO NWs压力传感器由灵敏层、柔性金电极和PTFE封装层组成，其中灵敏层具有仿生狗尾草结构，氧化锌纳米线均匀地垂直生长在静电纺丝得到的TPU骨架上，多条TPU骨架相互搭接形成三维互锁结构。

图 2 器件形貌表征

【器件性能表征】

施加压力时，灵敏层互锁结构中的氧化锌纳米线接触面积随压力增加而线性增加，实现了高达2250 kPa的超宽线性检测范围和大压力下29.7 kPa -1的高灵敏度。该器件表现出了良好的压力响应性能和循环稳定性，不同器件具有良好的性能一致性。与其他工作对比，本工作调和了高灵敏度和宽线性范围难以兼得的矛盾。

图 3 器件性能表征

【人体运动信号检测】

利用同一器件分别进行了脉搏信号、各关节弯曲运动信号、行走运动信号和跳跃运动信号的采集，实现了从微小力到高强度力的全范围信号检测，极大程度拓宽了压力传感器在可穿戴电子设备领域的应用场景。

图 4 人体运动信号检测

【柔性传感阵列】

利用PDMS作为柔性衬底，通过磁控溅射和激光打标制备金电极，得到了基于TPU/ZnO NWs灵敏层的柔性压力传感阵列，可以实现压力成像的功能。阵列器件展示了其在人机交互等领域的应用潜力。

图 5 柔性传感阵列

文章信息

J. He#, S. Wang#, R. Han, Y. Liu, W. Gao*, R. Bao*, C. Pan*, Wide Detection Range Flexible Pressure Sensors Based on 3D Interlocking Structure TPU/ZnO NWs. Adv. Funct. Mater. 2024, 2418791.

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来源：花岗岩科学