作為將外部壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，柔性壓力傳感器對于實(shí)現(xiàn)人體健康監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)檢測、智能機(jī)器人以及人機(jī)交互中的觸覺感知至關(guān)重要。近年來，隨著可穿戴設(shè)備在實(shí)用性、高精度和長續(xù)航能力方面的不斷進(jìn)步，開發(fā)兼具寬線性范圍和高靈敏度的柔性壓力傳感器已成為柔性電子領(lǐng)域的重要研究方向和關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。高靈敏度能夠精確檢測細(xì)微的壓力變化，而寬線性響應(yīng)范圍則確保傳感器輸出與施加的壓力保持直接比例關(guān)系，從而簡化信號(hào)分析，無需復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。

在各種壓力傳感機(jī)制中，壓阻式壓力傳感器因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、制造工藝便捷、輸出信號(hào)穩(wěn)定以及與柔性電路的優(yōu)異兼容性而備受關(guān)注。壓阻式傳感器的工作原理通常是將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為可測量的電阻變化，這種變化主要源于內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整、界面接觸電阻的變化或微觀結(jié)構(gòu)的變形。近年來，研究重點(diǎn)集中在探索各種傳感材料以提高柔性壓阻式傳感器的傳感性能。諸如炭黑、石墨烯、碳納米管(CNTs)、金屬納米顆粒和MXene等多種導(dǎo)電填料已被嵌入彈性體基體中，用于制備復(fù)合材料，應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。然而，這些聚合物-填料復(fù)合材料通常難以同時(shí)滿足寬檢測范圍和高靈敏度的雙重要求。對于這些聚合物-填料復(fù)合材料，靈敏度主要取決于彈性模量。較高的模量可以拓寬檢測范圍，但會(huì)犧牲靈敏度；而較低的模量可以提高靈敏度，但會(huì)限制測量大應(yīng)力的能力。因此，需要能夠在不同范圍內(nèi)發(fā)生顯著形變的復(fù)合材料，從而實(shí)現(xiàn)電阻的顯著變化。

為了解決這一難題，一種有效的方法是設(shè)計(jì)在不同壓力條件下具有連續(xù)變化接觸狀態(tài)的混合微結(jié)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)靈敏度和線性傳感范圍之間的最佳平衡。例如，Zhang等人設(shè)計(jì)了一種由雙電阻敏感層組裝而成的Janus導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，用于壓阻式傳感器，從而實(shí)現(xiàn)了超寬線性檢測范圍（高達(dá)3800 kPa）和約4 kPa?1的適中靈敏度。Zhou等人也進(jìn)行了類似的研究。研究人員開發(fā)了一種高性能柔性壓力傳感器，其靈敏度為 24.6 kPa?1，線性范圍高達(dá) 1400 kPa。該傳感器采用金字塔形碳泡沫陣列作為傳感層，彈性間隔層則起到剛度調(diào)節(jié)器的作用。受人體皮膚高靈敏度微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Wan 等人開發(fā)了 MXene 修飾的海膽狀微結(jié)構(gòu)，用于制造柔性電子傳感器。該傳感器靈敏度高達(dá) 784.02 kPa?1，但壓力范圍僅為 ≈20 kPa。Zhou 等人則利用具有多孔互鎖結(jié)構(gòu)的雙層導(dǎo)電材料構(gòu)建了一種靈敏度高達(dá) 924.4 kPa?1 的壓力傳感器。然而，這種優(yōu)異的性能僅限于 70 kPa 以下的狹窄壓力范圍。盡管這些研究在一定程度上提高了傳感器的靈敏度或拓寬了線性傳感范圍，但固有的矛盾依然存在：高靈敏度通常僅限于低到中等壓力范圍，而更寬的線性范圍往往會(huì)犧牲靈敏度。因此，設(shè)計(jì)能夠同時(shí)提供高靈敏度和超寬線性檢測范圍的柔性壓阻式壓力傳感器是一項(xiàng)核心挑戰(zhàn)。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作提出了一種基于MXene的多級(jí)微穹頂（MSM）結(jié)構(gòu)的柔性壓阻傳感器，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度和寬響應(yīng)范圍。

2. 得益于該結(jié)構(gòu)的多級(jí)壓縮和逐步接觸特性，所制備的MXene基柔性壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2500 kPa的超寬檢測范圍和11.57 kPa?1的高靈敏度。

3. 結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，所設(shè)計(jì)的掌形和足底形傳感器陣列能夠有效識(shí)別摩爾斯電碼、物體抓取和人體運(yùn)動(dòng)，識(shí)別準(zhǔn)確率超過95%。

圖文解析

圖1. MSM結(jié)構(gòu)壓力傳感器的制備工藝及結(jié)構(gòu)表征。(a) MSM結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器的制備工藝示意圖。(b) 未涂覆MXene的MSM結(jié)構(gòu)PDMS薄膜照片。(c) 涂覆MXene后的MSM結(jié)構(gòu)PDMS薄膜照片。(d) MXene薄片的原子力顯微鏡(AFM)圖像。(e) MXene納米片的透射電鏡(TEM)圖像。(f) Ti3AlC2和MXene的X射線衍射(XRD)圖譜。(g) 主/次微穹頂高度比為1:0.5的MSM結(jié)構(gòu)的側(cè)視顯微照片。(h) 主/次微穹頂高度比為1:0.5的MSM結(jié)構(gòu)的三維光學(xué)顯微鏡掃描圖像。(i) 傳感器整體的掃描電鏡(SEM)圖像。(j) 單個(gè)微穹頂?shù)姆糯骃EM圖像。 (k) 單個(gè)微穹頂?shù)腅DS映射中Ti元素的分布圖。

圖2. MSM結(jié)構(gòu)壓力傳感器的傳感機(jī)制和性能表征。(a) MSM結(jié)構(gòu)壓力傳感器的工作原理示意圖。(b) 傳感器在14至1389 kPa壓力范圍內(nèi)的ΔI/I0-壓力曲線。(c) 傳感器在不同外部壓力下的靈敏度。(d) 傳感器在1.4 kPa壓力下的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間曲線。(e) 傳感器在不同壓力下的重復(fù)性輸出波形。(f) 傳感器在833 kPa壓力下（約2900次壓力循環(huán)）的耐久性測試結(jié)果。(g) 基于MSM的傳感器與先前報(bào)道的傳感器的靈敏度和量程比較。

圖3. 基于MSM結(jié)構(gòu)傳感器的莫爾斯電碼識(shí)別。(a) CNN-BiLSTM模型架構(gòu)示意圖。 (b) 單個(gè)傳感器采集的摩爾斯電碼按鍵信號(hào)示意圖（“-”和“.”通過按鍵持續(xù)時(shí)間區(qū)分）。(c) 經(jīng)過50個(gè)訓(xùn)練周期后的混淆矩陣（測試準(zhǔn)確率：99.5%）。(d) t-SNE降維可視化圖，展示了不同類別的特征分布。

圖4. 基于MSM結(jié)構(gòu)的掌形傳感器陣列的物體抓取識(shí)別。(a) 16通道掌形傳感器陣列照片。(b) 基于STM32F407的16通道信號(hào)采集電路板照片。(c) CNN-BiLSTM模型架構(gòu)示意圖。(d) 掌形傳感器陣列抓取不同物體時(shí)的輸出信號(hào)示例。(e) 經(jīng)過50個(gè)訓(xùn)練周期后的混淆矩陣（測試準(zhǔn)確率：95%）。(f) t-SNE降維可視化圖，展示了不同物體類別的特征分布。

圖5. 基于MSM結(jié)構(gòu)的鞋底形傳感器陣列的運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別。(a) 16通道鞋底形傳感器陣列照片。(b) CNN-BiLSTM模型架構(gòu)示意圖。(c) 不同運(yùn)動(dòng)模式下鞋底形傳感器的輸出信號(hào)。(d) 50個(gè)訓(xùn)練周期后的混淆矩陣（測試準(zhǔn)確率：97.9%）。(e) t-SNE降維可視化圖，展示了不同運(yùn)動(dòng)模式下的特征分布。

審核編輯 黃宇