包含柔性壓力傳感器的電子皮膚在軟體機器人、可穿戴設備、可變形觸碰板等領有重要應用。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。魯南姝教授團隊去年在Advanced Materials發表了一種復合響應壓力傳感器（Hybrid-response Pressure Sensors，以下稱為 HRPS ）為解決這一挑戰提供了全新的思路。HRPS由多孔納米復合材料 （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，所以其靈敏度遠高于各種傳統的CPS（圖1b）。這種復合響應可以由簡化的并聯電阻-電容器電路模型描述（圖1c）。
圖1 (a) HRPS 結構示意圖。(b) HRPS 相較于傳統柔性電容式傳感器更加靈敏。(c) HRPS的等效并聯電阻-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。(c-f) 不同摻雜比HRPS在不同測量頻率下的壓容響應。
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，體現了介電常數隨頻率變化。
，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Y2<<1時，HRPS電容的表達式被簡化為僅僅含X的通用曲線（圖3a），并且當 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電路模型； 當Y2>>1時，總電路模型會退化僅剩壓容和絕緣層電容串聯電路模型。因而，這條通用曲線被兩條虛線分為三個區間, 即壓阻效應，復合響應，以及壓容效應。
圖4 (a) 通用曲線以及HRPS的三個不同響應階段：壓阻效應階段，復合效應階段，壓容效應階段 (黑色曲線代表通用曲線)。(b) 掃頻實驗數據與通用曲線對比。(c-f)不同摻雜比HRPS受壓實驗數據與通用曲線。(注意，當HRPS 受壓增大時, 橫軸
變小。 )
通用曲線可以被圖2所示的實驗進行驗證（圖4），當測量頻率較小的時候，通用曲線與實驗吻合較好。當測量評率較大時，Y2 <<1的條件將不再滿足，HRPS的電容需要由X和Y兩個無量綱參數決定。
由圖5可以得知，當HRPS已經制備完成，還可以通過調控工作頻率來提高HRPS的靈敏度——因為只需要使
落入復合響應的范圍之中即可。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-紫色實心三角變為紫色空心圓環-紫色實心圓環，以此來擴展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-青色實心三角變為青色空心圓環-青色實心圓環，從而增大HRPS靈敏度。
圖6 壓阻和壓容效應分別對HRPS電容變化的貢獻
文章第一作者為UT-Austin魯南姝教授團隊博士生李征杰，之后依次為已畢業博士Kyoung-Ho Ha， 目前在西北大學John Rogers教授組從事博后研究；王哲梁博士，畢業于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
