高分子基柔性電容式壓力傳感材料的研究進(jìn)展綜述

高分子基柔性電容式壓力傳感器具有機(jī)械柔韌性、高靈敏度、優(yōu)異的可重復(fù)性、功耗低、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴電子設(shè)備、電子皮膚（E-skin）等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

高分子基柔性傳感材料是通過在天然或合成高分子柔性基體中添加功能填料復(fù)合制備而成的，可將外界信號(hào)，如壓力、溫度、濕度等，轉(zhuǎn)換為電阻、電壓、電容、電流等電信號(hào)，從而對(duì)外界環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)高分子基柔性電容式壓力傳感材料的研究進(jìn)展，遼寧石油化工大學(xué)和杭州師范大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了綜述分析，簡(jiǎn)要介紹了不同傳感機(jī)理的壓力傳感材料，重點(diǎn)論述了高分子基柔性電容式壓力傳感材料的傳感機(jī)理、優(yōu)缺點(diǎn)、優(yōu)化策略，并對(duì)目前存在的問題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“高分子基柔性電容式壓力傳感材料的研究進(jìn)展”為題發(fā)表在《高分子通報(bào)》期刊上。

目前存在的高分子基柔性壓力傳感材料，根據(jù)檢測(cè)外界壓力時(shí)不同的傳感機(jī)理，主要分為以下四種：壓阻式壓力傳感材料、壓電式壓力傳感材料、摩擦電式壓力傳感材料以及電容式壓力傳感材料。

壓阻式壓力傳感材料

傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感材料是在絕緣的高分子彈性基體材料中添加導(dǎo)電填料，使其兼顧高分子基體可壓縮性和填料導(dǎo)電性的一類復(fù)合材料?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于通過復(fù)雜的模板轉(zhuǎn)印引入微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略，將高分子傳感材料制備成具有多孔結(jié)構(gòu)的薄膜可以在一定程度上提高壓力傳感性能。

圖1 基于MXene/PANI泡沫制備具有3D多孔結(jié)構(gòu)的壓阻式傳感器

壓電式壓力傳感材料

壓電式壓力傳感材料是利用某些具有偶極矩特性的晶體材料在受到外界壓力刺激后誘導(dǎo)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生機(jī)械變形，導(dǎo)致材料內(nèi)部電子發(fā)生極化，在材料兩側(cè)內(nèi)表面發(fā)生電荷聚集形成電壓的一類材料，壓力移去后又恢復(fù)初始狀態(tài)，從而能夠?qū)⑼饨鐗毫π盘?hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)?；趥鞲袡z測(cè)時(shí)的工作機(jī)理，盡管壓電式壓力傳感器可以對(duì)動(dòng)態(tài)壓力變化具有極高的靈敏度，但并不能在負(fù)載靜態(tài)壓力時(shí)產(chǎn)生刺激響應(yīng)，從而限制了其在絕對(duì)壓力檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

摩擦電式壓力傳感材料

自從2012年王中林教授團(tuán)隊(duì)首次提出摩擦電納米發(fā)電機(jī)的概念后，近幾年科學(xué)家們又開始將其應(yīng)用于壓力傳感領(lǐng)域。摩擦電納米發(fā)電機(jī)的工作原理是利用接觸帶電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與壓電傳感材料類似，受限于工作原理，摩擦電式壓力傳感器也只能對(duì)動(dòng)態(tài)壓力變化實(shí)現(xiàn)高靈敏檢測(cè)，不能檢測(cè)任何靜態(tài)機(jī)械負(fù)載，因此限制了其在靜態(tài)壓力檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

電容式壓力傳感材料

相較于壓阻式壓力傳感器靈敏度低、響應(yīng)時(shí)間慢且滯后，壓電式與摩擦電式壓力傳感器無(wú)法檢測(cè)靜態(tài)壓力的缺陷，電容式壓力傳感器因具有機(jī)械靈活性、高靈敏度、優(yōu)異的可重復(fù)性、功耗低、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。

傳統(tǒng)的電容式壓力傳感器一般由絕緣的介電層和兩個(gè)平行板電極組裝而成，在受到外界壓力刺激時(shí)，通過改變平行板電極的間距，使電容值發(fā)生變化來(lái)檢測(cè)壓力。

圖2 PEMC基多孔材料與導(dǎo)電織物電極組裝的高性能電容式壓力傳感器

圖3 利用紙張表面粗糙度設(shè)計(jì)電容式壓力傳感器的新策略

然而，傳統(tǒng)的電容式壓力傳感器容易受到寄生電荷和環(huán)境電磁噪聲的影響。2011年，潘挺睿教授團(tuán)隊(duì)首次提出柔性離電傳感（FITS）機(jī)制，根據(jù)雙電層（EDL）原理設(shè)計(jì)了離電式壓力傳感器，使得電容輸出信號(hào)具有高抗干擾性、高空間分辨度，以及能夠?qū)o態(tài)和動(dòng)態(tài)刺激進(jìn)行高靈敏度響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。離電式壓力傳感工作機(jī)理的關(guān)鍵是離子-電子接觸之間EDL層的形成和接觸面積隨壓力的變化。為了獲得高性能離電式壓力傳感器，有必要在對(duì)介電層表面與柔性電極表面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，使得它們之間的接觸面積更易隨壓力變化而改變，進(jìn)而顯著提升其傳感性能。因此，具有機(jī)械彈性和可逆性的離子電子界面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是離電式壓力傳感器性能提升的關(guān)鍵問題。針對(duì)該問題，科研人員們提出了均一結(jié)構(gòu)、無(wú)規(guī)結(jié)構(gòu)以及多孔結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)思路來(lái)優(yōu)化器件性能。

圖4 通過離子層表面帶有細(xì)小支柱的半球形陣列的梯度互鎖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高性能離電式柔性壓力傳感器

圖5 通過引入人為設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)超寬范圍高靈敏度的離電式壓力傳感器的策略

圖6 使用具有高孔隙率的開孔聚氨酯泡沫制備離電式壓力傳感器的簡(jiǎn)單策略

目前，對(duì)離電式壓力傳感器的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，還有很多問題亟待解決，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、傳感材料的使用壽命短和電化學(xué)穩(wěn)定性差，以及其它環(huán)境因素導(dǎo)致的信號(hào)干擾，例如溫度和濕度變化等。相信在不久的將來(lái)，通過不斷的研究來(lái)解決這些問題后，離電式壓力傳感器將能夠廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，為人們的生活提供更多的便利。

論文信息：
DOI: 10.14028/j.cnki.1003-3726.2023.10.005

審核編輯：劉清