高分子基柔性电容式压力传感材料的研究进展综述

高分子基柔性电容式压力传感器具有机械柔韧性、高灵敏度、优异的可重复性、功耗低、空间分辨率高等优点，在可穿戴电子设备、电子皮肤（E-skin）等领域的应用越来越广泛。

高分子基柔性传感材料是通过在天然或合成高分子柔性基体中添加功能填料复合制备而成的，可将外界信号，如压力、温度、湿度等，转换为电阻、电压、电容、电流等电信号，从而对外界环境信息进行实时监测。

据麦姆斯咨询报道，针对高分子基柔性电容式压力传感材料的研究进展，辽宁石油化工大学和杭州师范大学的研究团队进行了综述分析，简要介绍了不同传感机理的压力传感材料，重点论述了高分子基柔性电容式压力传感材料的传感机理、优缺点、优化策略，并对目前存在的问题及未来发展趋势进行了展望。相关研究内容以“高分子基柔性电容式压力传感材料的研究进展”为题发表在《高分子通报》期刊上。

目前存在的高分子基柔性压力传感材料，根据检测外界压力时不同的传感机理，主要分为以下四种：压阻式压力传感材料、压电式压力传感材料、摩擦电式压力传感材料以及电容式压力传感材料。

压阻式压力传感材料

传统的压阻式压力传感材料是在绝缘的高分子弹性基体材料中添加导电填料，使其兼顾高分子基体可压缩性和填料导电性的一类复合材料。科研人员发现，相对于通过复杂的模板转印引入微结构的设计策略，将高分子传感材料制备成具有多孔结构的薄膜可以在一定程度上提高压力传感性能。

图1 基于MXene/PANI泡沫制备具有3D多孔结构的压阻式传感器

压电式压力传感材料

压电式压力传感材料是利用某些具有偶极矩特性的晶体材料在受到外界压力刺激后诱导晶体结构发生机械变形，导致材料内部电子发生极化，在材料两侧内表面发生电荷聚集形成电压的一类材料，压力移去后又恢复初始状态，从而能够将外界压力信号转换为电压信号进行检测。基于传感检测时的工作机理，尽管压电式压力传感器可以对动态压力变化具有极高的灵敏度，但并不能在负载静态压力时产生刺激响应，从而限制了其在绝对压力检测领域的应用。

摩擦电式压力传感材料

自从2012年王中林教授团队首次提出摩擦电纳米发电机的概念后，近几年科学家们又开始将其应用于压力传感领域。摩擦电纳米发电机的工作原理是利用接触带电效应和静电感应效应来实现的。与压电传感材料类似，受限于工作原理，摩擦电式压力传感器也只能对动态压力变化实现高灵敏检测，不能检测任何静态机械负载，因此限制了其在静态压力检测领域的应用。

电容式压力传感材料

相较于压阻式压力传感器灵敏度低、响应时间慢且滞后，压电式与摩擦电式压力传感器无法检测静态压力的缺陷，电容式压力传感器因具有机械灵活性、高灵敏度、优异的可重复性、功耗低、空间分辨率高等优点而备受关注。

传统的电容式压力传感器一般由绝缘的介电层和两个平行板电极组装而成，在受到外界压力刺激时，通过改变平行板电极的间距，使电容值发生变化来检测压力。

图2 PEMC基多孔材料与导电织物电极组装的高性能电容式压力传感器

图3 利用纸张表面粗糙度设计电容式压力传感器的新策略

然而，传统的电容式压力传感器容易受到寄生电荷和环境电磁噪声的影响。2011年，潘挺睿教授团队首次提出柔性离电传感（FITS）机制，根据双电层（EDL）原理设计了离电式压力传感器，使得电容输出信号具有高抗干扰性、高空间分辨度，以及能够对静态和动态刺激进行高灵敏度响应的优点。离电式压力传感工作机理的关键是离子-电子接触之间EDL层的形成和接触面积随压力的变化。为了获得高性能离电式压力传感器，有必要在对介电层表面与柔性电极表面进行微观结构一体化设计，使得它们之间的接触面积更易随压力变化而改变，进而显著提升其传感性能。因此，具有机械弹性和可逆性的离子电子界面的结构设计一直是离电式压力传感器性能提升的关键问题。针对该问题，科研人员们提出了均一结构、无规结构以及多孔结构等设计思路来优化器件性能。

图4 通过离子层表面带有细小支柱的半球形阵列的梯度互锁结构实现的高性能离电式柔性压力传感器

图5 通过引入人为设计的微结构，实现超宽范围高灵敏度的离电式压力传感器的策略

图6 使用具有高孔隙率的开孔聚氨酯泡沫制备离电式压力传感器的简单策略

目前，对离电式压力传感器的研究仍处于实验室阶段，还有很多问题亟待解决，如结构设计复杂、传感材料的使用寿命短和电化学稳定性差，以及其它环境因素导致的信号干扰，例如温度和湿度变化等。相信在不久的将来，通过不断的研究来解决这些问题后，离电式压力传感器将能够广泛应用于各领域，为人们的生活提供更多的便利。

论文信息：
DOI: 10.14028/j.cnki.1003-3726.2023.10.005

审核编辑：刘清