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UT-Austin魯南姝教授團隊《ACS Nano》展望文章：柔性電容壓力傳感器 - 趨勢，挑戰(zhàn)，和展望
2022-03-14  來源：高分子科技

  柔性壓力傳感器是電子皮膚的關(guān)鍵組成部分，其重要性在軟機器人和生物電子學(xué)這兩個新興領(lǐng)域日益顯現(xiàn)。其中，電容式壓力傳感器( Capacitive Pressure Sensor, CPS )以其機械柔性、高靈敏度和信號穩(wěn)定性而受到廣泛關(guān)注。經(jīng)過二十多年的快速發(fā)展，基于柔性CPS的電子皮膚已能夠?qū)崿F(xiàn)類似人皮膚的柔軟性和敏感性。然而，在此領(lǐng)域中仍然還有一些懸而未決的問題。


  近期，UT-Austin魯南姝教授團隊在《ACS Nano》應(yīng)邀發(fā)表了題為“Soft capacitive pressure sensors: trends, challenges, and perspectives”的展望文章。該文首先簡要總結(jié)了柔性CPS已取得的成就，隨后介紹了近年來柔性CPS面臨的3個主要挑戰(zhàn)(高壓力降低靈敏度 ,響應(yīng)慢 ,阻礙感知)及其可能的解決方案，最后指出了一個關(guān)鍵但尚未解決的挑戰(zhàn)——可拉伸柔性CPS面內(nèi)拉伸與面外壓力的耦合問題。


圖1 多孔或表面陣列微結(jié)構(gòu)介電體


  文章首先簡要回顧了近年來柔性CPS在如何提高靈敏度上取得的成就，過去研究主要通過(1)減小介電層的楊氏模量，(2)提高介電常數(shù)的辦法來提高靈敏度。多孔或表面陣列微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料能同時滿足上述條件因而能提高靈敏度(圖1)。然而，這些方法只在較小的壓力范圍有效。

圖2在大壓力范圍內(nèi)具有高靈敏度、低響應(yīng)時間、可察覺性

  因而讓柔性CPS在較大壓力范圍下有較高靈敏度仍是一大挑戰(zhàn)。文章提出復(fù)合響應(yīng)的柔性電容式壓力傳感器(hybrid response pressure sensor, HRPS)是解決此挑戰(zhàn)的方法之一。此傳感器由一種超高孔隙率的導(dǎo)電納米復(fù)合材料(porous nanocomposite, PNC), 絕緣層(PMMA)以及Au/PI電極復(fù)合而成(圖2 A)。這種PNC(圖2 B)存在分布式壓電電容和壓電電阻的復(fù)合響應(yīng), 當(dāng)PNC電阻較小時，壓電電容響應(yīng)消失，此PNC 只有壓電電阻響應(yīng)。當(dāng)PNC電阻接近絕緣體時，壓電電阻響應(yīng)消失，PNC 變?yōu)槌Ｒ?guī)多孔電介質(zhì)，只存在壓電電容響應(yīng)。通過這種復(fù)合響應(yīng)的設(shè)計，CPS靈敏度隨壓力增大而衰減的問題將得到有效的緩解(圖2 C)。 隨后，文章介紹了CPS的響應(yīng)和恢復(fù)時間的問題。為了解決粘彈性介電體造成的CPS響應(yīng)和恢復(fù)時間過長的問題，過去的研究主要有兩種辦法(1)使用線彈性介電體材料，(2)在高分子介電體表面制造微結(jié)構(gòu)，這些現(xiàn)存措施能將CPS的響應(yīng)時間從10s 減少到20ms左右。該文認為若能將多級結(jié)構(gòu)的介電體應(yīng)用于CPS中，則有望能進一步縮短CPS的響應(yīng)和恢復(fù)時間(圖2 D-G)。

  接著，該文介紹了CPS的可覺察性，CPS和電子皮膚可能會導(dǎo)致自然人類觸覺的損失，對應(yīng)的辦法有使用彈性體基底和減少傳感器厚度(圖2 H)。

圖3 未解決的問題--可拉伸的電容式壓力傳感器


  最后，該文討論了CPS的可拉伸性，可拉伸的CPS可以拓展CPS在軟機器人、的電子皮膚、表皮電子學(xué)中的應(yīng)用(圖3 A-D)？衫焓饺嵝CPS由于泊松效應(yīng)，面內(nèi)拉伸導(dǎo)致CPS兩電極相對面積增加和電極之間距離減小，從而導(dǎo)致電容增加；由于面內(nèi)拉伸和面外壓力同時導(dǎo)致電容增加，致使CPS的電容無法精確反映的壓力載荷(圖3 E)。目前解決此問題的的辦法，如添加應(yīng)變計(圖3 F)、使用剛性結(jié)構(gòu)隔離面內(nèi)應(yīng)力(圖3 G)等，雖能一定程度校準(zhǔn)電容，但是這些設(shè)計增添了CPS的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性并降低了空間分辨率，還會使CPS的產(chǎn)生褶皺，因而面內(nèi)拉伸與面外壓力的耦合響應(yīng)問題并沒有得到很好的解決？傮w而言，在目前已知的工作中，可拉伸性優(yōu)秀的CPS靈敏度不高，而靈敏度高的CPS可拉伸性較差(圖3 H)。因而該文章認為，既兼顧高靈敏度和可拉伸性，又能解耦面內(nèi)拉伸和面外壓力響應(yīng)耦合的CPS將會是未來研究的重點。

  文章作者包括UT-Austin魯南姝教授團隊的博士生Kyoung-Ho Ha, Heeyong Huh, Zhengjie Li。

  魯南姝教授是Web of Science高引作者，Nano Letters和Journal of Applied Mechanics副主編，長期深耕于柔性電子的力學(xué)，制造與生物集成。歡迎訪問實驗室主頁了解更多相關(guān)工作：https://sites.utexas.edu/nanshulu/。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00308

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