近日，周伟教授团队提出了一种集成“面内热电”与“面外压阻”的温/压双模态柔性触觉传感器设计新策略，通过构筑空间正交的温度-压力集成敏感新机制，有效抑制了双参数测量串扰，可在无需硬件电路补偿和软件算法解耦的情况下实现温度和压力的高精度集成测量。相关研究成果以“Integrating in-plane thermoelectricity and out-plane piezoresistivity for fully decoupled temperature-pressure sensing”为题，于2023年11月10日在线发表在微纳米科技国际权威期刊Small上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307800）。
一、 研究背景
智能机器人和可穿戴设备的快速发展对柔性传感器的性能提出了更高要求。当前研究逐渐从单参数传感向多模态集成感知方向发展，可以同时感知温度和压力的双模态柔性触觉传感器对于人机交互和智能穿戴健康监测等应用至关重要。如何减小温度-压力双参数测量串扰是当前亟待解决的难题，近年来，大部分研究主要聚焦串扰解耦算法，从理论模型分析和数据解析算法构建方面提高双参数解耦精度。此外，一部分研究聚焦于开发新型敏感功能材料，期望能从材料特性层面缓解温压信号串扰。然而，现有温度-压力双模态柔性传感器仍面临信号串扰大、传感器结构及引线复杂、器件柔性差等问题，极大制约了其实际应用。因此，亟需开发一种全新的温/压双模态传感器设计新策略，从敏感机制层面破解双模态柔性传感器的信号串扰难题。
二、 研究内容
该研究工作提出了一种集成温度和压力感知的双模态柔性触觉传感器设计新策略，利用面内热电和面外压阻的空间正交分布有效抑制双参数信号串扰，实现了不依赖硬件电路补偿和软件算法解耦的温度-压力高精度测量。所提出的双模态传感器具有灵敏度高、信号串扰小等特点，其温度测量灵敏度为281.46 μV/K，压力测量灵敏度为2.181 kPa-1，且温度和压力的综合测量误差分别为±7%和±8%，优于目前所报道的大多数温/压双模态柔性传感器，为广泛存在的温度-压力高精度集成测量需求提供了一种双模态柔性传感器设计新思路。
（1） 传感器结构设计与敏感机制
根据温度-压力同步传感以及信号串扰抑制需求，设计了平面热电元件和导电压阻微锥阵列结构分别作为双模态传感器的温度和压力敏感单元。通过构筑面内热电与面外压阻集成的空间正交传感器结构，结合时分复用的信号采集策略，一方面极大抑制了温度与压力信号的相互串扰，另一方面减少了传感器的信号读出引线数量，简化了传感器阵列引线布局，如图1所示。
图1 传感器的结构设计与传感机制
（2） 传感器性能与应用展示
对于面内热电元件，其难点问题是输出电压幅值过小影响信号读出精度。为了解决这一难题，通过采用FeCl3作为插层剂对石墨烯进行P型掺杂，提高热电元件的塞贝克系数。实验结果表明，在FeCl3的掺杂比例达为5%时，石墨烯的塞贝克系数从未掺杂时的30 μV/K提升到57 μV/K，极大提高了传感器的温度灵敏度。此外，该研究还综合利用碳纳米管与石墨粉的电子传输特性以及柔性聚合物的热膨胀效应，配置了近零电阻温度系数的导电复合压阻材料，并基于此材料制备压力敏感元件。该研究系统实验测试了传感器的温度/压力灵敏度、动静态响应、最小分辨率、响应时间和循环稳定性等性能指标，并初步展示了其在人机交互、双参数分布式感知和电路局部热点感知等方面的应用，如图2、图3、图4所示。
图2 传感器在人机交互领域的应用展示
图3 双模态传感器阵列的双参数分布式感知及接触形状识别应用展示
图4 双模态传感器阵列的电路局部热点感知应用展示
该研究工从温度-压力双模态柔性触觉传感器的结构设计、敏感机制、性能测试及应用方面展开了系统研究。提出了一种面内热电与面外压阻空间正交集成的传感器结构设计新策略，突破了传统温/压双模态柔性传感器解耦复杂、信号串扰严重的困境，为高性能多模态柔性传感器的设计提供了新思路。
三、 研究相关
该研究工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金项目（52325507）、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目（U21A20136）、国家自然科学基金青年科学基金项目（52205606）和福建省自然科学基金项目（2022J05011）的资助和支持。
该论文以厦门大学为第一单位，第一作者是大网投平台信誉排行榜的硕士研究生王锦成和博士研究生陈锐，我院周伟教授和罗涛助理教授为共同通讯作者。同时，该研究工作还得到了厦门大学谢瑜、秦利锋、张金惠、吴粦静等老师的指导和帮助，参与本研究工作的还有厦门大学的博士研究生计东生和徐文俊、硕士研究生章文卓和张晨。
发布：2023年11月13日 17:58
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