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,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鍵組成部分,其重要性在軟機器人和生物電子學這兩個新興領域日益顯現。其中,電容式壓力傳感器( Capacitive Pressure Sensor, CPS )以其機械柔性、高靈敏度和信號穩定性而受到廣泛關注。經過二十多年的快速發展,基于柔性CPS的電子皮膚已能夠實現類似人皮膚的柔軟性和敏感性。然而,在此領域中仍然還有一些懸而未決的問題。
圖1 多孔或表面陣列微結構介電體
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)提高介電常數的辦法來提高靈敏度。多孔或表面陣列微結構的復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在大壓力范圍內具有高靈敏度、低響應時間、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。文章提出復合響應的柔性電容式壓力傳感器(hybrid response pressure sensor, HRPS)是解決此挑戰的方法之一。此傳感器由一種超高孔隙率的導電納米復合材料(porous nanocomposite, PNC), 絕緣層(PMMA)以及Au/PI電極復合而成(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合響應, 當PNC電阻較小時,壓電電容響應消失,此PNC 只有壓電電阻響應。當PNC電阻接近絕緣體時,壓電電阻響應消失,PNC 變為常規多孔電介質,只存在壓電電容響應。通過這種復合響應的設計,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的響應和恢復時間的問題。為了解決粘彈性介電體造成的CPS響應和恢復時間過長的問題,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構,這些現存措施能將CPS的響應時間從10s 減少到20ms左右。該文認為若能將多級結構的介電體應用于CPS中,則有望能進一步縮短CPS的響應和恢復時間(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致自然人類觸覺的損失,對應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
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,制造與生物集成。歡迎訪問實驗室主頁了解更多相關工作:https://sites.utexas.edu/nanshulu/。
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c00308
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(責任編輯:xu)
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