國際仿生工程學會 - 上海工程技術大學宋仕強副教授《Nano Energy》：仿生策略用於構建高靈敏度和寬壓力範圍的壓力傳感器－鑽石舞台

一般來說，壓力傳感器的高靈敏性與寬檢測範圍往往不能兼得。例如，在柔性材料表面引入分層微結構可以有效提高壓力傳感器的靈敏度，但由於微結構的可壓縮性有限，只有在較低的壓力範圍才能產生高靈敏度，因此製備一種在寬壓力範圍內高靈敏度的柔性壓力傳感器是一項重大挑戰。

鑑於此，上海工程技術大學宋仕強副教授與其研究生張翠芬,基於在應力應變傳感器領域(J. Mater. Chem. A,2021,9, 3931;J. Mater. Chem. C,2021, 9,15337; Eur. Polym. J.,2022, 164: 110980)的研究基礎，受壁虎觸角和人體骨骼結構啟發，設計製備了一種分層梯度結構，可以同時提高靈敏度和拓寬壓力工作範圍並確保長時間使用時的信號穩定性。這種傳感器具有半球陣列和梯度孔隙結構，允許其從微小壓力到高壓力區域內發生大幅度變形，顯著提高了傳感器在形變壓力範圍內的靈敏度。該傳感器在0~1.9 kPa壓力範圍內敏感度可達102.3 kPa−1，壓力檢測範圍為0~400 kPa，且具備響應迅速(35 ms)和良好的信號穩定性(>5000)等特點。通過簡單的製備方法和結構設計實現了壓力傳感器高靈敏度和寬壓力工作範圍，使其實際應用範圍廣泛。

通常而言，壓力傳感器在壓力作用下電阻、電流或電容的變化大小是直接影響其靈敏度的一個關鍵因素。然而，用於製造壓力傳感器的軟材料或多孔聚合物是不可壓縮或有限可壓縮的，因此壓力工作範圍和靈敏度提高有限。在本研究中，作者在一個傳感器中同時引入分層和梯度多孔結構，這種結構使傳感器在寬壓力範圍內(0~400 kPa)產生壓縮形變；另外，在其表面引入半球微孔結構，使得傳感器在低應力下具有高的靈敏度且有助於其在較寬壓力範圍下靈敏度的提高。

圖1材料設計原理及製備過程

圖2HGA的形態及數據模擬

圖3傳感性能測試及對比

圖4傳感器對於不同壓力的感知信號

相關工作以「Bioinspired Engineering of Gradient and Hierarchical Architecture into Pressure Sensors toward High Sensitivity within Ultra-broad Working Range」為題發表在國際知名期刊《Nano Energy》上（影響因子19.069）。本研究獲得國家自然科學基金青年基金（52003151）的支持。