研究背景

能够符合曲线甚至可变形表面的软压力传感器在机器人、假肢、手术工具、生物识别传感器等新兴领域的需求越来越大。不同的应用对应于不同的压力范围：低于1 kPa的微妙压力用于超敏感的电子皮肤捕捉柔软的触感或触摸心血管活动；1至10 kPa的低压用于身体内压力以及与日常活动有关的压力。有时，微妙的压力甚至会叠加在高压预载上，例如，当压力传感器使用覆盖带连接到目标表面或将压力传感器纳入其他可穿戴设备下时。对于这些应用，需要在整个大压力范围内具有高灵敏度的软压力传感器。

电容式压力传感器因为具有良好的可重复性、不受温度影响、低功耗、高空间分辨率和适合大面积应用。其灵敏度主要取决于介电材料的变形，由于固定的边界，介电材料的有效压缩模量随着压缩而增加，因此会受到阻尼。为了追求更高的灵敏度，最近的研究集中在通过添加气隙和/或增加其介电常数来设计介电材料。介质材料表面或内部的气隙会降低有效压缩模量。此外，它们使有效介电常数随着压缩而增加，因为空气的体积分数被具有较高介电常数的固体所取代。为了在电介质材料中加入气隙，已经采用了包括微图案表面、泡沫、纳米线网络、织物和间隔层等策略。为了加强气隙的影响，已经探索了一些方法，如用高介电常数材料或导电纳米材料涂覆和掺杂弹性体，以实现高介电常数复合材料。然而，这些提高灵敏度的技术只在小的压力范围内有效。随着压缩空气间隙的减小，其效果也随之减弱。经过过去十年的广泛研究，孔隙率和介电常数的改进几乎已经达到了极限。需要一个根本性的新策略来实现电容式压力传感器在广泛的压力范围内具有高灵敏度。

研究成果

过去旨在提高电容式压力传感器的灵敏度的研究大多集中在开发具有表面/多孔结构或更高介电常数的电介质层。然而，这些策略只对提高低压范围(例如，高达3 kPa)的灵敏度有效。为了克服这一障碍，德克萨斯大学奥斯汀分校Nanshu Lu教授团队设计了一种灵活的混合反应压力传感器(HRPS)，由导电多孔纳米复合材料(PNC)与超薄电介质层组成。使用镍泡沫模板，用掺有碳纳米管(CNTs)的Ecoflex制造PNC，使其具有86%的多孔性和导电性。PNC表现出混合的压阻和压电容反应，从而在很宽的压力范围内，敏感度明显提高(即超过400%)。通过比较HRPS和它的纯压电性对应物，混合反应的影响与孔隙率或高介电常数的影响相区别。通过简化的分析模型，实现了对HRPS的基本理解和对最佳CNT掺杂的预测。HRPS能够测量从细微的动脉脉冲到大到脚步声的压力。相关研究以“Highly Sensitive Capacitive Pressure Sensors over a Wide Pressure Range Enabled by the Hybrid Responses of a Highly Porous Nanocomposite”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1、报告了一种新型的电容式压力传感器，它采用了高多孔纳米复合材料(PNC) 的混合压阻和压电容反应，在很大的压力范围内达到了高灵敏度。2、设计的混合响应压力传感器(HRPS)可以在没有任何真空设施或微电子机械系统(MEMS)制造设施(如洁净室)的情况下廉价地制造，它能够测量小至0.07 Pa的果蝇重量引起的压力，大至125 kPa的脚步声弓|起的压力。3、提出了一个基于简化电路模型的分析，以充分确定每个压电反应的影响。

图文导读

Figure 1. Fabrication of PNC and hybrid-response pressure sensor (HRPS).

Figure 2. Electromechanical characterization of the HRPS.

Figure 3. Comparison of HRPS and other capacitive pressure sensor counterparts. Red and pink represent solid layers, greens represent nonconductive porous layers, and blues represent conductive PNC.

Figure 4. Analytical modeling of the HRPS and conventional capacitive pressure sensor with nonconductive PNC.

Figure 5. Demonstrations for HRPS.

总结展望

尽管软性电容式压力传感器的超高灵敏度以前就已经实现了，但随着压力的增加，灵敏度下降是一个众所周知的长期挑战。在这项研究中，作者推出了一种新型的柔性电容式压力传感器，在广泛的压力范围内具有高灵敏度。通过在两个平行电极之间夹住一个导电的高孔隙纳复合材料和一个超薄的固体绝缘层，电容式压力传感器受益于PNC的压阻和压电容的组合反应。

在30-50 kPa的压力范围内。通过将HRPS与四种传统的电容式压力传感器进行比较，成功地从混合反应中区分出气隙的贡献。作者建立并通过实验验证了一个理论模型，该模型成功地揭示了HRPS 的传感机制，并分析确定了可通过调整CNT掺杂来控制的最佳PNC电阻。我们通过检测各种预紧力的细微压力变化来证明HRPS的敏感性。即使当HRPS被VR头盔覆盖时，也能用安装在皮肤上的压力传感器获得TAP的第一个非侵入性测量。宽广的感应范围通过足底压力感应表现出来。除了脉冲波形传感外，该软质HRPS在假体、触觉传感和手术或软体机器人的电子皮肤等许多其他潜在用途上也很有前途。

文献链接

Highly Sensitive Capacitive Pressure Sensors over a Wide Pressure Range Enabled by the Hybrid Responses of a Highly Porous Nanocomposite, Adv. Mater. 2021, 33, 2103320, DOI: 10.1002/adma.202103320
https://doi.org/10.1002/adma.202103320.