華中科大研發基于壓電超構材料的壓力傳感器：寬量程、高靈敏度

MEMS 2026-06-30 07:21

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據麥姆斯咨詢報道，近期，頂級學術期刊《科學》（Science）刊發了華中科技大學在超構材料（Metamaterials）及壓力傳感器領域的最新研究論文，題目為：Mechanoelectrical metamaterials for broad-range, high-sensitivity pressure sensing。華中科技大學集成電路學院張光祖教授、航空航天學院張耀教授為論文共同通訊作者。

Science期刊編輯Marc S. Lavine介紹說：“壓電材料能夠實現機械應力與電勢之間的相互轉換。華中科技大學借鑒了機械超構材料（Metamaterials）的設計理念——即利用復雜結構產生簡單材料體系所不具備的響應特性——開發出了機電超構材料。該材料展現出了極寬的壓電靈敏度與檢測限范圍，從而突破了這兩個參數之間通常存在的權衡制約。其潛在應用場景包括各類傳感器：既能捕捉肥皂泡或昆蟲觸碰等微弱壓力信號，又能承受巨大的載荷與沖擊。此外，相關演示還涵蓋了高靈敏度機器人手指、食品新鮮度監測以及復雜地形測繪等領域。”

論文鏈接：

https:/www.science.org/doi/10.1126/science.aeb3456

柔性壓電觸覺傳感器在人形機器人、具身智能系統和柔性可穿戴設備中應用前景廣闊，但是受限于材料性能的固有矛盾：壓電性與柔軟性難以兼顧。壓電效應源于非對稱晶體結構，該結構會帶來高模量與低斷裂應變，導致材料剛而脆。例如，石英和PZT陶瓷模量高（> 50 GPa）、斷裂應變低（<0.2%）；PVDF等聚合物雖更柔，模量（0.1–2 GPa）仍比人體皮膚（0.01–1 MPa）高2–4個數量級，并且矯頑場高、極化難。此外，傳感器高靈敏度與寬量程也相互制約：靈敏度隨模量降低而升高，寬量程則需高模量支撐承載能力。

針對高靈敏度與寬量程難以兼顧的問題，華中科技大學團隊開發了一種由多組分聚合物與分子鐵電體復合而成的新型壓電軟材料，兼具光固化3D打印能力與寬范圍剛度可調性。在此基礎上，研究人員提出一種桿–板混雜雙梯度超構結構：通過結構梯度與材料剛度梯度的協同設計，實現變形模式自適應切換。小載荷下以桿彎曲為主，提供低剛度和高靈敏度；大載荷下自動轉為板壓縮，實現高承載和寬量程。該設計解耦了靈敏度與量程對材料模量的相反需求，傳感器靈敏度達319.5 mV/kPa，量程覆蓋1.3 Pa至3.45 MPa，完美實現了高靈敏度與寬量程的共存。

雙梯度柔性壓電超構材料實現高靈敏和寬量程壓力傳感

在應用驗證環節，團隊將該材料一體化打印為機器手的手指。該人工手指表現優異：既能感知瓢蟲（約20毫克）爬行、肥皂泡（約2.5毫克）著陸與破裂等微弱壓力，又能承受5公斤鋼球從20厘米高度落下的沖擊而不損壞。此外，該手指具備物體模量識別能力，模量識別范圍從90 Pa到1.32 GPa，跨越7個數量級，可精準區分柳絮、海綿、木塊等不同材質。基于模量識別，手指成功應用于水果、奶酪及雞蛋等食品的新鮮度與成熟度評估。將材料制成車輪后，還可用于復雜地形的感知與地層模量檢測。