高分子基柔性電容式壓力傳感器具有機械柔韌性、高靈敏度、優異的可重復性、功耗低、空間分辨率高等優點，在可穿戴電子設備、電子皮膚（E-skin）等領域的應用越來越廣泛。

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合制備而成的，可將外界信號，如壓力、溫度、濕度等，轉換為電阻、電壓、電容、電流等電信號，從而對外界環境信息進行實時監測。

據麥姆斯咨詢報道，針對高分子基柔性電容式壓力傳感材料的研究進展，遼寧石油化工大學和杭州師范大學的研究團隊進行了綜述分析，簡要介紹了不同傳感機理的壓力傳感材料，重點論述了高分子基柔性電容式壓力傳感材料的傳感機理、優缺點、優化策略，并對目前存在的問題及未來發展趨勢進行了展望。相關研究內容以“高分子基柔性電容式壓力傳感材料的研究進展”為題發表在《高分子通報》期刊上。

目前存在的高分子基柔性壓力傳感材料，根據檢測外界壓力時不同的傳感機理，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電填料，使其兼顧高分子基體可壓縮性和填料導電性的一類復合材料。科研人員發現，相對于通過復雜的模板轉印引入微結構的設計策略，將高分子傳感材料制備成具有多孔結構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多孔結構的壓阻式傳感器

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晶體結構發生機械變形，導致材料內部電子發生極化，在材料兩側內表面發生電荷聚集形成電壓的一類材料，壓力移去后又恢復初始狀態，從而能夠將外界壓力信號轉換為電壓信號進行檢測。基于傳感檢測時的工作機理，盡管壓電式壓力傳感器可以對動態壓力變化具有極高的靈敏度，但并不能在負載靜態壓力時產生刺激響應，從而限制了其在絕對壓力檢測領域的應用。

摩擦電式壓力傳感材料

自從2012年王中林教授團隊首次提出摩擦電納米發電機的概念后，近幾年科學家們又開始將其應用于壓力傳感領域。摩擦電納米發電機的工作原理是利用接觸帶電效應和靜電感應效應來實現的。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動態壓力變化實現高靈敏檢測，不能檢測任何靜態機械負載，因此限制了其在靜態壓力檢測領域的應用。

電容式壓力傳感材料

相較于壓阻式壓力傳感器靈敏度低、響應時間慢且滯后，壓電式與摩擦電式壓力傳感器無法檢測靜態壓力的缺陷，電容式壓力傳感器因具有機械靈活性、高靈敏度、優異的可重復性、功耗低、空間分辨率高等優點而備受關注。

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

圖2 PEMC基多孔材料與導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計電容式壓力傳感器的新策略

然而，傳統的電容式壓力傳感器容易受到寄生電荷和環境電磁噪聲的影響。2011年，潘挺睿教授團隊首次提出柔性離電傳感（FITS）機制，根據雙電層（EDL）原理設計了離電式壓力傳感器，使得電容輸出信號具有高抗干擾性、高空間分辨度，以及能夠對靜態和動態刺激進行高靈敏度響應的優點。離電式壓力傳感工作機理的關鍵是離子-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，有必要在對介電層表面與柔性電極表面進行微觀結構一體化設計，使得它們之間的接觸面積更易隨壓力變化而改變，進而顯著提升其傳感性能。因此，具有機械彈性和可逆性的離子電子界面的結構設計一直是離電式壓力傳感器性能提升的關鍵問題。針對該問題，科研人員們提出了均一結構、無規結構以及多孔結構等設計思路來優化器件性能。

圖4 通過離子層表面帶有細小支柱的半球形陣列的梯度互鎖結構實現的高性能離電式柔性壓力傳感器

圖5 通過引入人為設計的微結構，實現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單策略

目前，對離電式壓力傳感器的研究仍處于實驗室階段，還有很多問題亟待解決，如結構設計復雜、傳感材料的使用壽命短和電化學穩定性差，以及其它環境因素導致的信號干擾，例如溫度和濕度變化等。相信在不久的將來，通過不斷的研究來解決這些問題后，離電式壓力傳感器將能夠廣泛應用于各領域，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