基于接触电阻的压力传感器阵列技术

在过去的几十年里，触觉传感器由于其在可穿戴医疗设备、机器人、假肢、人机界面和增强/虚拟现实中具有许多令人兴奋的潜在应用而引起了极大的关注。其中，大型阵列式压力传感器因可以像人体皮肤一样进行时空压力分析而在实现人工触觉方面扮演尤为重要的角色。

然而，压力传感阵列走向实际应用的进程目前仍然受到几个关键挑战的阻碍。首先，在实际应用环节，通常需要压力传感器阵列能够在包括从柔软的生物组织到弹性机器人皮肤等在内的任何表面上正常工作，同时保障空间精度。然而，当对柔性材料施加压力时，承压区域周围的柔性材料不可避免地发生变形，从而使得未承压区域的传感器变形，进而在信号输出中产生不必要的噪声和串扰。这一问题可以通过在触觉像素（taxel）之间插入额外层以隔离触觉像素来缓解，然而，额外隔离层会扰乱压力下传感层的变形，从而降低了器件的压力灵敏度。此外，压力传感器阵列还应能够实现其他物理刺激和压力的机械解耦，换句话说，即它对压力以外的其他机械刺激（例如弯曲）不敏感，以便在动态移动的表面上可靠地获取时空信息，而不影响压力传感器的性能。

据麦姆斯咨询报道，近期，韩国科学技术院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）联合韩国电子通信研究院（Electronics and Telecommunications Research Institute）和淑明女子大学（Sookmyung Women’s University）共同提出了基于接触电阻的压力传感器阵列技术，该技术基于微金字塔形和梯形机械屏障阵列的多尺度微结构设计，可以在不同模量表面和动态弯曲表面上实现精确的时空压力分析，并且产生的机械串扰可以忽略不计。该研究以“On-skin and tele-haptic application of mechanically decoupled taxel array on dynamically moving and soft surfaces”为题，发表于npj flexible electronics期刊。

如图1所示为置于人体手部和柔性机械手上的压力传感器阵列的总体示意图。如图1b所示，通过对机械屏障阵列的结构优化，其检测限（LoD = 190 Pa）和弯曲灵敏度（不敏感弯曲半径= 2.7 mm）同时最小化。将优化后的多尺度微结构应用于12 × 12大面积压力传感阵列，在柔性表面上可实现无失真信号的时空压力映射。

图1 机械解耦的压力传感器（MDPS）总体示意图

该基于接触电阻的压力传感器，即MDPS的工作机理如图2a所示。将涂有聚吡咯的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微结构与叉指电极接触，以随压力改变接触电阻（或等效电导）。在机械解耦的压力传感器设计过程中，机械屏障阵列以多孔梯形棱柱（TP）的形式周期性地放置在叉指电极的外围，而多孔金字塔形微结构直接位于电极的顶部。其中，梯形棱柱高度为70 μm ~140 μm，金字塔形微结构高度固定为70 μm，孔隙直径为20 μm。采用传统的金字塔形微结构压力传感器（即没有外围梯形棱柱设计和孔隙）作为参考压力传感器。在一个不弯曲的平面上，因为微结构和电极之间的物理接触最小，使得参考压力传感器（上）和机械解耦的压力传感器（下）都有相当高的接触电阻（Rc）。然而，当参考传感器弯曲时，横向应变导致金字塔形微结构与电极接触，因此即使没有施加压力，也会使得接触电阻产生不必要的下降。因此，采用传统设计的参考传感器可以采集受接触压力和弯曲影响的畸变映射信号。而对于机械解耦的压力传感器而言，比金字塔形微结构高的梯形棱柱阵列可以防止金字塔形微结构与弯曲电极之间的接触，从而使其在柔性和动态运动表面上实现低失真压力映射，同时具有弯曲不敏感性。

图2 优化弯曲不敏感性和检测限后的机械解耦的压力传感器性能表征

此外，该传感器阵列还被证实能够在柔性表面上检测压力而不出现信号串扰，并能承受包括滚动和波动在内的各种类型的变形。为了验证传感器阵列的实际可行性，研究人员将传感器安装在手指和前臂上，分别用于盲文阅读和基于机器学习的字母识别。同时，研究人员还演示了一种在软体机器人和用户之间传输触觉的远程触觉系统，并证明了由于传感器在柔性弯曲表面上的良好功能性，准确的触觉信号传输是可行的。

图3 机械解耦的压力传感器在皮肤上的应用

图4 远程触觉系统演示

综上所述，在这项工作中，研究人员设计了一种基于微结构接触电阻的压力传感器，该传感器实现了检测限（触觉传感的关键性能指标）和弯曲不敏感性之间的平衡。所展示的传感器阵列的特性以及相应的应用实例将为压力传感阵列在人机界面、虚拟/增强现实、可穿戴电子设备和软体机器人等各种应用领域的快速发展铺平道路。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41528-022-00233-0

审核编辑 ：李倩