中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近年來(lái)，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能的發(fā)展和普及，輕薄便捷、電子性能優(yōu)異的柔性壓力傳感器作為可穿戴電子設備的核心器件，擁有了越來(lái)越廣闊的市場(chǎng)和極大的研究?jì)r(jià)值。
近日，大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院劉軍山研究員團隊關(guān)于柔性壓力傳感器的最新研究成果，被國際知名期刊Small選為封面文章，該成果為柔性壓力傳感器的設計和制造提供了一種全新的思路。
什么是柔性壓力傳感器
傳感器是現代智能生活的基礎，手機、可穿戴裝備、電動(dòng)車(chē)、智能家居……幾乎一切智能設備都離不開(kāi)傳感器。而其中，有一種壓力傳感器，起著(zhù)關(guān)鍵性的作用。
顧名思義，一切和接觸、力度相關(guān)的場(chǎng)合，都需要用到壓力傳感器。在許多實(shí)際應用中往往要把傳感器集成到一些特定的不規則復雜表面,這就需要可以適應復雜表面的柔性壓力傳感器。柔性壓力傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性、甚至可自由彎曲甚至折疊，而且結構形式靈活多樣，可根據測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對復雜被測量進(jìn)行檢測，可適應復雜的非平整的表面，極大地擴展了壓力傳感器的應用領(lǐng)域。
柔性壓力傳感器包含電容式、壓阻式、壓電式和摩擦電式等，其所用的基礎材料包括納米線(xiàn)、碳納米管、聚合物納米纖維、金屬納米顆粒、石墨烯等。一個(gè)典型的柔性壓力傳感器由柔性基底、敏感膜、封裝層和柔性電極構成，分別對應基底清洗、薄膜印刷、點(diǎn)膠封裝等工藝。
根據第三方市場(chǎng)研究機構IDTechEx預測，2018年到2028年，全球整個(gè)柔性電子市場(chǎng)整體規模將達到千億，預計年復合增長(cháng)率達20.4%，市場(chǎng)已進(jìn)入快速增長(cháng)期，柔性壓力傳感器有廣闊的應用空間。
柔性壓力傳感器被廣泛應用在消費電子、可穿戴醫療、智能家居家電、機器觸覺(jué)、人機交互等領(lǐng)域。比如柔性壓力傳感器已被應用于TWS耳機、電動(dòng)牙刷、電源開(kāi)關(guān)，除了上述消費電子領(lǐng)域應用 ，在醫療健康和智能穿戴方面柔性壓力傳感器也有廣泛應用前景，比如說(shuō)，目前的智能手表要檢測人的心跳，胸部心跳動(dòng)態(tài)監測，可以對人在劇烈運動(dòng)中的身體狀態(tài)準確探測；接下來(lái)在智能鞋墊、床墊等產(chǎn)品中也有用武之地。
“重磅”研究成果引發(fā)國際關(guān)注
在不斷的創(chuàng )新中，微米級壓力傳感器成為電極和活性層的常見(jiàn)微觀(guān)結構。這些微觀(guān)結構包括微粗結構、多孔結構和多尺度分層結構。通過(guò)這些結構的應用，壓力傳感器的靈敏度和穩定性得到了大幅提升。而具有快速響應和低滯后的壓力傳感器也在近年來(lái)獲得了突破，這些性能的提升使得壓力傳感器能夠更好地滿(mǎn)足實(shí)時(shí)監測等需求。
柔性壓力傳感器以功能軟材料層壓縮變形為主導的傳感機理，要求電極層具有相對較大的抗彎剛度，電極層厚度一般要比功能軟材料層大1~2個(gè)數量級。因此，現有的柔性壓力傳感器厚度嚴重影響了傳感器的輕質(zhì)性、變形性和共形性。大連理工大學(xué)劉軍山研究員團隊長(cháng)期開(kāi)展柔性傳感器研究，通過(guò)與大工力學(xué)系李明教授等團隊合作，獨辟蹊徑地提出了一種納米工程策略，首次制造出了亞微米厚度（0.85μm）的柔性壓力傳感器。
該納米工程策略將柔性壓力傳感器的傳感機理由功能軟材料層的壓縮變形為主導轉變?yōu)槿嵝噪姌O層的彎曲變形為主導，從根本上解除了對于傳感器厚度的限制；而且，由于超薄的柔性電極層擁有極強的變形能力，使得傳感器具有優(yōu)異的檢測性能。
傳感器的單位面積重量只有2.8 g/m2，相當于普通辦公打印紙的1/29，能夠承受曲率半徑小至8.8μm的面外超大彎曲變形，并且能夠與皮膚表面實(shí)現完全共性貼合。另外，傳感器的靈敏度為92.11 kPa-1，檢出限為0.8 Pa，均處于目前公開(kāi)報道的最高水平。
團隊提出的納米工程策略可以成數量級地減小傳感器的厚度，從而突破性提升傳感器的輕質(zhì)性、變形性和共形性，同時(shí)還能夠使得傳感器具有超高的檢測性能，為柔性壓力傳感器的設計和制造提供了一種全新的思路。
科教融合助力人才成長(cháng)
成果的產(chǎn)出離不開(kāi)科研人才的持續攻關(guān)，更離不開(kāi)學(xué)校、學(xué)院、平臺的支撐。劉軍山所任教的大連理工機械工程學(xué)院實(shí)力強勁，面向航空航天、能源動(dòng)力、智能制造等重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)展，學(xué)院機械工程學(xué)科為“985”“211”重點(diǎn)建設學(xué)科，入選國家“雙一流”建設學(xué)科名錄，為大連理工大學(xué)實(shí)力最強的學(xué)科之一。
依托一流學(xué)科，以高性能精密制造全國重點(diǎn)實(shí)驗室、國家級協(xié)同創(chuàng )新中心、集成攻關(guān)大平臺等國家級科研基地為基石，學(xué)院科研項目不斷取得最新進(jìn)展，牽頭獲得2項國家技術(shù)發(fā)明一等獎、1項國家科技進(jìn)步一等獎（創(chuàng )新團隊）、3項國家技術(shù)發(fā)明二等獎。
豐碩的科技成果同樣指引著(zhù)學(xué)院學(xué)子奮勇?tīng)幭?，暢游學(xué)術(shù)海洋。近年來(lái)，學(xué)院將工程科技前沿引入課堂，大力促進(jìn)科教融合。同時(shí)，全程實(shí)行本科生導師制，依托國家、省、校多級創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)項目，鼓勵學(xué)生參加國家級創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)競賽，助力創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)人才的快速成長(cháng)，為未來(lái)的“科研人才”成長(cháng)持續助力。
未來(lái)，大連理工大學(xué)將繼續深耕機械工程領(lǐng)域，為國家培養更多學(xué)術(shù)引領(lǐng)者、行業(yè)領(lǐng)軍者、工程領(lǐng)創(chuàng )者和復合型創(chuàng )新人才，加速科技成果轉換，在科研領(lǐng)域取得更多新突破！
