UT-Austin鲁南姝教授团队《ACS Nano》展望文章：柔性电容压力传感器 - 趋势，挑战，和展望

2022-03-14 来源：高分子科技

柔性压力传感器是电子皮肤的关键组成部分，其重要性在软机器人和生物电子学这两个新兴领域日益显现。其中，电容式压力传感器( Capacitive Pressure Sensor, CPS )以其机械柔性、高灵敏度和信号稳定性而受到广泛关注。经过二十多年的快速发展，基于柔性CPS的电子皮肤已能够实现类似人皮肤的柔软性和敏感性。然而，在此领域中仍然还有一些悬而未决的问题。

近期，UT-Austin鲁南姝教授团队在《ACS Nano》应邀发表了题为“Soft capacitive pressure sensors: trends, challenges, and perspectives”的展望文章。该文首先简要总结了柔性CPS已取得的成就，随后介绍了近年来柔性CPS面临的3个主要挑战(高压力降低灵敏度 ,响应慢 ,阻碍感知)及其可能的解决方案，最后指出了一个关键但尚未解决的挑战——可拉伸柔性CPS面内拉伸与面外压力的耦合问题。

图1 多孔或表面阵列微结构介电体

文章首先简要回顾了近年来柔性CPS在如何提高灵敏度上取得的成就，过去研究主要通过(1)减小介电层的杨氏模量，(2)提高介电常数的办法来提高灵敏度。多孔或表面阵列微结构的复合材料能同时满足上述条件因而能提高灵敏度(图1)。然而，这些方法只在较小的压力范围有效。

图2在大压力范围内具有高灵敏度、低响应时间、可察觉性

因而让柔性CPS在较大压力范围下有较高灵敏度仍是一大挑战。文章提出复合响应的柔性电容式压力传感器(hybrid response pressure sensor, HRPS)是解决此挑战的方法之一。此传感器由一种超高孔隙率的导电纳米复合材料(porous nanocomposite, PNC), 绝缘层(PMMA)以及Au/PI电极复合而成(图2 A)。这种PNC(图2 B)存在分布式压电电容和压电电阻的复合响应, 当PNC电阻较小时，压电电容响应消失，此PNC 只有压电电阻响应。当PNC电阻接近绝缘体时，压电电阻响应消失，PNC 变为常规多孔电介质，只存在压电电容响应。通过这种复合响应的设计，CPS灵敏度随压力增大而衰减的问题将得到有效的缓解(图2 C)。随后，文章介绍了CPS的响应和恢复时间的问题。为了解决粘弹性介电体造成的CPS响应和恢复时间过长的问题，过去的研究主要有两种办法(1)使用线弹性介电体材料，(2)在高分子介电体表面制造微结构，这些现存措施能将CPS的响应时间从10s 减少到20ms左右。该文认为若能将多级结构的介电体应用于CPS中，则有望能进一步缩短CPS的响应和恢复时间(图2 D-G)。

接着，该文介绍了CPS的可觉察性，CPS和电子皮肤可能会导致自然人类触觉的损失，对应的办法有使用弹性体基底和减少传感器厚度(图2 H)。

图3 未解决的问题--可拉伸的电容式压力传感器

最后，该文讨论了CPS的可拉伸性，可拉伸的CPS可以拓展CPS在软机器人、的电子皮肤、表皮电子学中的应用(图3 A-D)。可拉伸式柔性CPS由于泊松效应，面内拉伸导致CPS两电极相对面积增加和电极之间距离减小，从而导致电容增加；由于面内拉伸和面外压力同时导致电容增加，致使CPS的电容无法精确反映的压力载荷(图3 E)。目前解决此问题的的办法，如添加应变计(图3 F)、使用刚性结构隔离面内应力(图3 G)等，虽能一定程度校准电容，但是这些设计增添了CPS的结构复杂性并降低了空间分辨率，还会使CPS的产生褶皱，因而面内拉伸与面外压力的耦合响应问题并没有得到很好的解决。总体而言，在目前已知的工作中，可拉伸性优秀的CPS灵敏度不高，而灵敏度高的CPS可拉伸性较差(图3 H)。因而该文章认为，既兼顾高灵敏度和可拉伸性，又能解耦面内拉伸和面外压力响应耦合的CPS将会是未来研究的重点。

文章作者包括UT-Austin鲁南姝教授团队的博士生Kyoung-Ho Ha, Heeyong Huh, Zhengjie Li。

鲁南姝教授是Web of Science高引作者，Nano Letters和Journal of Applied Mechanics副主编，长期深耕于柔性电子的力学，制造与生物集成。欢迎访问实验室主页了解更多相关工作：https://sites.utexas.edu/nanshulu/。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00308

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（责任编辑：xu）

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