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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,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。


  近期,UT-Austin魯南姝教授團ACS Nano應邀發表了題為“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主要挑戰(壓力降低靈敏度 ,響應慢 ,阻礙感知)及其可能的解決方案最后指出了一個關鍵但尚未解決的挑戰——可拉伸柔性CPS面內拉伸與面外壓力的耦合問題。


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(1)。然而,這些方法只在較小的壓力范圍有效。

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(2 A)這種PNC(2 B)存在分布式壓電電容和壓電電阻的復合響應, PNC電阻較小時,壓電電容響應消失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(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(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(2 H)

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軟機器人的電子皮膚表皮電子學中的應用(3 A-D)。可拉伸式柔性CPS由于泊松效應,面內拉伸導致CPS兩電極相對面積增加和電極之間距離減小,從而導致電容增加;由于面內拉伸和面外壓力同時導致電容增加,致使CPS的電容無法精確反映的壓力載荷(3 E)。目前解決此問題的的辦法,如添加應變計(3 F)、使用剛性結構隔離面內應力(3 G)等,雖能一定程度校準電容,但是這些設計增添了CPS的結構復雜性并降低了空間分辨率,還會使CPS的產生褶皺,因而面內拉伸與面外壓力的耦合響應問題并沒有得到很好的解決。總體而言,在目前已知的工作中,可拉伸性優秀的CPS靈敏度不高,而靈敏度高的CPS可拉伸性較差(3 H)。因而該文章認為,既兼顧高靈敏度和可拉伸性,又能解耦面內拉伸和面外壓力響應耦合的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Kyoung-Ho Ha, Heeyong Huh, Zhengjie Li

  魯南姝教授是Web of Science高引作者,Nano LettersJournal 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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