線性高靈敏響應是柔性壓力傳感器的重要性能之一，在智能機器人、人機交互界面、人體健康監測等應用中發揮著實現精確檢測的作用。目前，主流的策略通常采用多層多材結構設計方式來實現線性高靈敏傳感。但該策略在傳感器件機械穩定性方面埋下了隱患。其根本原因在于該設計下傳感器中存在的多材料間的模量失配與多層結構間的界面不兼容。實際上，線性高靈敏響應的實現離不開高靈敏電學材料與線性力學結構的協同配合，但在這種力電異質分層結構中兼顧線性高靈敏響應與長期穩定傳感仍具有挑戰。
近日，四川大學楊俊龍、李光憲教授團隊與其合作者，介紹了基于力-電一體化策略實現線性高靈敏兼顧長期穩定服役的柔性壓力傳感器。該策略通過原位生長和粘附過程，在聚氨酯材料體系中構建了穩定、一體的力學-電學功能界面，最小化傳感器中模量差異以及界面的影響。多孔離子凝膠泡沫(IGF)與織物電極間的協同使得傳感器在0-300 kPa范圍內表現出高靈敏(16.24 kPa-1)以及優異的線性響應(R2 = 0.999)。力-電一體化的IGF與電極/介電層間的粘合界面賦予了傳感器長期服役穩定性，傳感器能夠在高壓應力(100 kPa)下承受超過15萬次循環，以及在復合應力作用(壓應力144.98 kPa和剪切應力38.82 kPa)下承受超過1萬次循環。兼具線性響應與穩定服役的傳感器具備實現線性稱量以及輔助智能抓手實現長期穩定抓取循環的能力。
研究人員利用全聚氨酯基的材料體系，構建了一體化的離電型柔性壓力傳感器。其中，IGF作為介電層，以開孔熱固性聚氨酯(TSPU)泡沫作為骨架，表面原位生長了一層熱塑性聚氨酯(TPU)離子凝膠層，構建了力-電一體化結構。傳感器以具備編織結構的導電布作為電極，通過在電極/介電層間策略性引入聚氨酯劑的粘合劑，實現了傳感器的封裝一體化結構。同質材料體系下相似的材料性質能夠避免機械不匹配問題，同時也有利于多級復合界面構建。粘合層的引入使電極/介電層界面具備一定界面韌性(243 J/m2)，最小化了多層結構間的界面問題。
IGF通過將TSPU泡沫在含有TPU和離子液體(IL)的溶液中浸漬，溶脹，然后取出干燥等過程實現離子凝膠層在泡沫骨架表面的原位生長。IL中與聚氨酯基體間的分子間氫鍵相互作用，有效防止離子液體泄露。極薄的離子凝膠層(1-3 μm)均勻的分布在泡沫骨架表面。離子凝膠層與骨架間形成了穩定界面，復合過程可以通過擴散理論與機械互鎖理論解釋。
TSPU泡沫孔密度以及浸漬溶液中的TPU和IL的質量比是影響傳感器靈敏度的重要因素。在合適制備條件下，傳感器獲得了較高的靈敏度、寬范圍線性響應、極低的檢測極限等綜合傳感性能。更重要的，力電一體化的IGF與封裝一體化的器件結構使得傳感器具備多種復雜工況下的、優異的傳感穩定性，通過超高周期正壓力循環、復合受力循環等進行了驗證。
結合離電型傳感器的傳感機理與泡沫壓縮中的結構變化過程進行分析，傳感器的線性傳感范圍主要集中在泡沫壓縮的致密化階段。通過實驗以及有限元分析驗證了多孔IGF與編織結構導電布之間的多微結構協調是實現寬范圍線性傳感的關鍵。此外，粘合界面對傳感過程中的信號響應幾乎沒有影響。
研究人員利用傳感器制作出簡易天平，通過傳感器對單位質量直接、均一的電容響應驗證了線性傳感方面的優勢。同時，通過將傳感器集成至智能抓手指尖，能夠實現抓取力反饋以及抓取過程控制。更重要的，傳感器能夠輔助智能抓手完成超2000次多力況耦合(含16.3 kPa剪切應力)循環抓取過程，并保持信號穩定性。一體化傳感器具備實際應用過程中的長期服役穩定性。
來源：傳感器專家網
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