包含柔性壓力傳感器的電子皮膚在軟體機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、可變形觸碰板等領(lǐng)有重要應(yīng)用。然而，柔性電容式壓力傳感器（Capacitive Pressure Sensors, CPS）有一個眾所周知的瓶頸——其靈敏度隨著壓力的增加而急劇衰減。魯南姝教授團(tuán)隊去年在Advanced Materials發(fā)表了一種復(fù)合響應(yīng)壓力傳感器（Hybrid-response Pressure Sensors，以下稱為 HRPS ）為解決這一挑戰(zhàn)提供了全新的思路。HRPS由多孔納米復(fù)合材料 （porous nanocomposite, 以下稱為PNC) 、超薄絕緣層（PMMA）以及一對薄膜金電極組成，見圖1a。由于PNC有碳納米管參雜，HRPS同時具有壓阻和壓容響應(yīng)，所以其靈敏度遠(yuǎn)高于各種傳統(tǒng)的CPS（圖1b）。這種復(fù)合響應(yīng)可以由簡化的并聯(lián)電阻-電容器電路模型描述（圖1c）。
圖1 (a) HRPS 結(jié)構(gòu)示意圖。(b) HRPS 相較于傳統(tǒng)柔性電容式傳感器更加靈敏。(c) HRPS的等效并聯(lián)電阻-電容器電路模型。
圖2 (a) HRPS 測量實驗示意圖。(b)不同摻雜比HRPS的無變形掃頻響應(yīng)。(c-f) 不同摻雜比HRPS在不同測量頻率下的壓容響應(yīng)。
圖3 (a) PNC 掃頻測量實驗示意圖。(b)不同摻雜比PNC無變形掃頻電阻變化，體現(xiàn)了電阻率隨頻率變化。(c) 不同摻雜比PNC無變形掃頻電容變化，體現(xiàn)了介電常數(shù)隨頻率變化。
，其中ω為測量交流頻率，R為PNC的電阻，Cair為PNC電容，Ci為絕緣層電容。當(dāng)Y2<<1時，HRPS電容的表達(dá)式被簡化為僅僅含X的通用曲線（圖3a），并且當(dāng) Y2<<X2<<1時總電路模型會退化為僅剩壓阻與絕緣層電容串聯(lián)電路模型； 當(dāng)Y2>>1時，總電路模型會退化僅剩壓容和絕緣層電容串聯(lián)電路模型。因而，這條通用曲線被兩條虛線分為三個區(qū)間, 即壓阻效應(yīng)，復(fù)合響應(yīng)，以及壓容效應(yīng)。
圖4 (a) 通用曲線以及HRPS的三個不同響應(yīng)階段：壓阻效應(yīng)階段，復(fù)合效應(yīng)階段，壓容效應(yīng)階段 (黑色曲線代表通用曲線)。(b) 掃頻實驗數(shù)據(jù)與通用曲線對比。(c-f)不同摻雜比HRPS受壓實驗數(shù)據(jù)與通用曲線。(注意，當(dāng)HRPS 受壓增大時, 橫軸
變小。 )
通用曲線可以被圖2所示的實驗進(jìn)行驗證（圖4），當(dāng)測量頻率較小的時候，通用曲線與實驗吻合較好。當(dāng)測量評率較大時，Y2 <<1的條件將不再滿足，HRPS的電容需要由X和Y兩個無量綱參數(shù)決定。
由圖5可以得知，當(dāng)HRPS已經(jīng)制備完成，還可以通過調(diào)控工作頻率來提高HRPS的靈敏度——因為只需要使
落入復(fù)合響應(yīng)的范圍之中即可。假如PNC制備中參雜碳納米管過量了，使得其初始電阻過小，那么HRPS的初始電容值（紫色空心三角）與受壓后的電容值（紫色實心三角）相差就不大，意味著HRPS靈敏度不高。那么可以選擇提高工作頻率ω從而增大
, 使得HRPS的電容范圍由紫色空心三角-紫色實心三角變?yōu)樽仙招膱A環(huán)-紫色實心圓環(huán)，以此來擴(kuò)展HRPS靈敏度。同理，如果PNC摻雜的碳納米管過少，使得PNC初始電阻過大，可以通過降低工作頻率ω來讓HRPS的電容范圍由青色空心三角-青色實心三角變?yōu)榍嗌招膱A環(huán)-青色實心圓環(huán)，從而增大HRPS靈敏度。
圖6 壓阻和壓容效應(yīng)分別對HRPS電容變化的貢獻(xiàn)
文章第一作者為UT-Austin魯南姝教授團(tuán)隊博士生李征杰，之后依次為已畢業(yè)博士Kyoung-Ho Ha， 目前在西北大學(xué)John Rogers教授組從事博后研究；王哲梁博士，畢業(yè)于Johns Hopkins University ，目前在魯南姝教授組從事博后研究；博士生Sangjun Kim，本科生Ben Davis，本科生Ruojun Lu，Jayant Sirohi 教授，以及魯南姝教授，她也是論文唯一通訊作者。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D2SM01250B
https://doi.org/10.1002/adma.202103320
