線性高靈敏響應(yīng)是柔性壓力傳感器的重要性能之一，在智能機(jī)器人、人機(jī)交互界面、人體健康監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中發(fā)揮著實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)的作用。目前，主流的策略通常采用多層多材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式來實(shí)現(xiàn)線性高靈敏傳感。但該策略在傳感器件機(jī)械穩(wěn)定性方面埋下了隱患。其根本原因在于該設(shè)計(jì)下傳感器中存在的多材料間的模量失配與多層結(jié)構(gòu)間的界面不兼容。實(shí)際上，線性高靈敏響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)離不開高靈敏電學(xué)材料與線性力學(xué)結(jié)構(gòu)的協(xié)同配合，但在這種力電異質(zhì)分層結(jié)構(gòu)中兼顧線性高靈敏響應(yīng)與長(zhǎng)期穩(wěn)定傳感仍具有挑戰(zhàn)。

近日，四川大學(xué)楊俊龍、李光憲教授團(tuán)隊(duì)與其合作者，介紹了基于力-電一體化策略實(shí)現(xiàn)線性高靈敏兼顧長(zhǎng)期穩(wěn)定服役的柔性壓力傳感器。該策略通過原位生長(zhǎng)和粘附過程，在聚氨酯材料體系中構(gòu)建了穩(wěn)定、一體的力學(xué)-電學(xué)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(xié)同使得傳感器在0-300 kPa范圍內(nèi)表現(xiàn)出高靈敏(16.24 kPa-1)以及優(yōu)異的線性響應(yīng)(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(zhǎng)期服役穩(wěn)定性，傳感器能夠在高壓應(yīng)力(100 kPa)下承受超過15萬(wàn)次循環(huán)，以及在復(fù)合應(yīng)力作用(壓應(yīng)力144.98 kPa和剪切應(yīng)力38.82 kPa)下承受超過1萬(wàn)次循環(huán)。兼具線性響應(yīng)與穩(wěn)定服役的傳感器具備實(shí)現(xiàn)線性稱量以及輔助智能抓手實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定抓取循環(huán)的能力。

研究人員利用全聚氨酯基的材料體系，構(gòu)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(zhǎng)了一層熱塑性聚氨酯(TPU)離子凝膠層，構(gòu)建了力-電一體化結(jié)構(gòu)。傳感器以具備編織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了傳感器的封裝一體化結(jié)構(gòu)。同質(zhì)材料體系下相似的材料性質(zhì)能夠避免機(jī)械不匹配問題，同時(shí)也有利于多級(jí)復(fù)合界面構(gòu)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(jié)構(gòu)間的界面問題。