基于3D多孔结构的触觉传感器，实现高性能可穿戴健康监测应用
2025-10-19 13:24:30 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员展示了一种基于3D多孔框架的柔性高灵敏触觉传感器，该传感器通过可规模化的制造工艺，集成了金纳米颗粒（AuNPs）修饰的碳纳米管（AuNPs-CNTs）。
柔性触觉传感器在生理传感、人机界面和机器人系统等许多领域的应用正受到日益广泛的关注。针对上述应用，研究人员已开发出多种采用不同传感机制的触觉传感器，例如电阻式、压电式、摩擦电式和电容式。其中，接触电阻型触觉传感器因其设计简单且信号易获取而得到广泛应用。在这些传感器中，传感元件的结构和材料非常重要，因为传感元件的接触电阻变化直接关系到传感器的灵敏度和压力检测范围。因此，已有研究提出了具有各种微结构的传感元件层设计，例如金字塔型、穹顶型、柱体型以及层级结构等。这些微结构在施加压力时会引起接触面积的显著变化，从而提高触觉传感器的灵敏度。此外，许多纳米材料被用作导电材料，同时保持机械柔韧性，包括零维（0D）结构（例如金属纳米颗粒和炭黑），一维（1D）结构（例如金属纳米线和碳纳米管（CNTs）），以及二维结构（例如MXene和石墨烯）。
另一方面，三维（3D）多孔结构具有较大的表面积，在施加力时可使接触面积发生显著变化，使其成为触觉传感应用的理想结构。特别是，3D多孔结构能有效分散施加的压力，即使在高压水平下也能逐渐扩展接触界面。这种3D结构比传统微结构具有更宽的传感范围。然而，这些触觉传感器的灵敏度通常低于0.1 kPa⁻¹，限制了它们在生物医学传感和机器人系统等领域的应用。提高灵敏度的策略之一，是使用两种或多种纳米材料作为3D多孔结构的功能化材料。利用具有不同特性的纳米材料的协同效应可以增强触觉传感器的灵敏度。但是，设计开发能够在宽压力范围内保持高灵敏度的触觉传感器仍然存在挑战。
据麦姆斯咨询介绍，延世大学机械工程学院的研究人员展示了一种基于3D多孔框架的柔性高灵敏触觉传感器，该传感器通过可规模化的制造工艺，集成了金纳米颗粒（AuNPs）修饰的碳纳米管（AuNPs-CNTs）。其中，AuNPs通过湿法化学沉积直接沉积在CNTs表面，然后通过简便的“浸渍干燥”方法涂覆在高度多孔的聚二甲基硅氧烷（PDMS）结构上。与依赖复杂微加工技术的现有柔性触觉传感器相比，该传感器在制造简单性和可扩展性方面具有显著优势。相关研究成果已经以“Flexible tactile sensors based on gold nanoparticles-precipitated carbon nanotubes with low contact resistance and high sensitivity”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
论文摘要附图
a）基于AuNPs-CNTs涂层海绵的触觉传感器的制备过程示意图。该触觉传感器由涂覆AuNPs-CNTs的海绵和铜电极组成。b）受压和释压状态下的触觉传感器。c）涂覆AuNPs-CNTs的导电海绵的扫描电镜图像。
基于AuNPs-CNTs涂层海绵的触觉传感器在常规压力下的压力传感特性
功能材料表征
该传感器的高灵敏度，源于直接沉积在CNTs上的AuNPs具有的低接触电阻。AuNPs在CNTs表面的沉积引入了Lennard-Jones相互作用，并且与原始CNTs相比具有更低的费米能级，从而提高了载流子浓度和电导率。研究人员通过实验研究了AuNPs的存在及其形成方法对压力传感特性的影响。具体而言，研究人员使用不同的功能材料（CNTs表面直接沉积AuNPs、CNTs以及AuNPs与CNTs的混合物）制造了三种触觉传感器，并对它们进行了表征。
沉积AuNPs浓度的表征
研究人员制备了三种不同AuNPs浓度的传感器，同时保持CNTs浓度不变，以研究AuNPs浓度对传感器特性的影响。通过控制CNTs和HAuCl₄溶液的重量比，调整了修饰AuNPs的浓度，以获得低密度AuNPs（CNTs和HAuCl₄的重量比为1：3.8）、中密度AuNPs（CNTs和HAuCl₄的重量比为1：3.9）和高密度AuNPs（CNTs和HAuCl₄的重量比为1：4.0）的传感器。
使用不同浓度AuNPs修饰的CNTs作为功能材料对触觉传感器进行表征
可穿戴健康监测应用
基于AuNPs-CNTs涂层海绵的触觉传感器展现出优异的灵敏度和宽广的压力检测范围，并且具有可扩展的制造工艺。这使其非常适合检测从生理压力（微弱）到大幅度人体运动（高压）的各种压力。研究人员将该触觉传感器贴在受试者的身体上，以精确测量这些应用中的信号。结果证明，所制造的触觉传感器成功检测到了心跳的低压力和脚步的高压力。
研究人员展示基于AuNPs-CNTs涂层海绵的触觉传感器用于健康监测应用
结论
该研究成功开发了一种包含3D多孔结构的柔性触觉传感器，其结构涂覆了AuNPs修饰的CNTs涂层。当施加外部压力时，AuNPs-CNTs之间的接触点增加，导致电流增大。特别是，由于该功能材料之间接触电阻低，显著提高了电流。该传感器表现出高灵敏度，在低压范围（0.05–500 kPa）达到23.23 kPa⁻¹，在高压范围（500–1125 kPa）仍能达到11.06 kPa⁻¹。此外，该器件表现出许多优异的特性，包括快速响应、高重复性和再现性。研究人员通过改变功能层的形成以及修饰AuNPs的浓度对该器件进行了表征。利用该传感器，研究人员成功监测了人体生理信号和人体运动，表明其有望应用于可穿戴电子系统。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01056-5
延伸阅读：
《安费诺NovaSensor压力传感器芯片P883产品分析》
上一篇：基于MEMS谐振器的力学传感器获得美国DARPA资助
下一篇：复旦大学开发基于电容式压力传感器阵列的传感器内触觉计算系统