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(jiān)測等應用中發(fā)揮著實現(xiàn)精確檢測的作用。目前，主流的策略通常采用多層多材結(jié)構(gòu)設計方式來實現(xiàn)線性高靈敏傳感。但該策略在傳感器件機械穩(wěn)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(jié)構(gòu)間的界面不兼容。實際上，線性高靈敏響應的實現(xiàn)離不開高靈敏電學材料與線性力學結(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與長期穩(wěn)定傳感仍具有挑戰(zhàn)。

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(xiàn)線性高靈敏兼顧長期穩(wěn)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(gòu)建了穩(wěn)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(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(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(wěn)定性，傳感器能夠在高壓應力(100 kPa)下承受超過15萬次循環(huán)，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(huán)。兼具線性響應與穩(wěn)定服役的傳感器具備實現(xiàn)線性稱量以及輔助智能抓手實現(xiàn)長期穩(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(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)能夠避免機械不匹配問題，同時也有利于多級復合界面構(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。