随着信息时代的应用需求越来越高,随之而来的是对于被测量信息的精度和稳定情况等性能参数的期望值要求逐步提高。针对特殊环境与特殊信号下气体、压力、湿度的测量需求,普通传感器往往已经不能满足。

随着柔性基质材料的发展,具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲等特点的柔性传感器,在医疗保健、健身运动、安全生产等领域的巨大潜力受到越来越大的关注。据英国市场分析公司IDTechEx预测,直至2028年,全球柔性电子市场有望达3010亿美元。

近年来,柔性可穿戴设备在监测人体生物信号方面取得了长足进步,使用柔性贴片随时随地监测血压、脉搏等技术一直在突破。同时,柔性可穿戴医疗类产品因其柔软、轻薄的特性,为用户带来舒适的穿戴体验。

然而,现有的柔性可穿戴压力传感器存在一个很大短板:高灵敏度与宽域工作范围无法兼得。即使是非常轻微的压力,也会使传感器的灵敏度大幅下降。为此,近日研究人员通过开发利用压阻-压容混合响应来承受压力的方法来弥补这一部分的空白。

通过导电的多孔状微结构与超薄绝缘层的结合,研究人员首次发现分布式压电电阻和压电电容的混合响应,能够使得柔性压力传感器兼具高灵敏度和宽域工作范围。小至一种果蝇的重量(0．07 pa),大到人脚踏步所产生的压力(125 kPa),都可以被灵敏地感应到。

该传感器是由一种超高孔隙率的导电纳米复合材料(porous nanocomposite,  PNC),超薄绝缘层(PMMA)以及 Au/PI 电极复合而成。其中,多孔纳米复合材料(PNC)由碳纳米管(carbon nanotube, CNT)掺杂的 Ecoflex 硅胶构成。

实验中,研究人员测量了一只仅有 0．7 毫克重的果蝇、传感器上方 3 cm 处的鼓风机吹出的气流、三个连续降落的水滴,以及人体颈动脉和颞动脉的脉搏跳动。结果显示,HRPS 对果蝇自重带来的仅有 0．07 Pa 的压力,以及微小气流、水滴滴落时引起的压力响应准确且迅速,响应时间仅为 94 毫秒。

未来,该传感器有望为柔性可穿戴设备的发展提供长足动力。