2024年3月21日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系郭傳飛教授和力學(xué)與航空航天工程系楊燦輝助理教授研究團隊合作開發(fā)了一種無漂移柔性壓力傳感器，解決了柔性壓力傳感器中由于軟材料蠕變導(dǎo)致的難以精準測量靜態(tài)壓力的普遍性難題。

柔性壓力傳感器可將壓力轉(zhuǎn)化為電信號，而“離-電型"柔性壓力傳感器——一種具有靈敏度的器件，更是在機器人觸覺、虛擬現(xiàn)實以及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。但現(xiàn)有的柔性壓力傳感器普遍存在明顯的信號漂移問題。信號漂移一方面來自于離子凝膠的漏液，另一方面來自于軟材料的蠕變。因此，柔性壓力傳感器往往“測得靈敏"，但“測不準"，無法用于靜態(tài)或準靜態(tài)壓力的精準計量，使得這種器件在諸多領(lǐng)域無法替代傳統(tǒng)的硬質(zhì)傳感器。

針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊基于軟材料力學(xué)原理，從材料的分子結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計、制備了一種無泄漏、低蠕變的聚電解質(zhì)離子導(dǎo)電彈性體，有效地抑制了離-電型柔性壓力傳感器的信號漂移。這種材料是一種共聚物，包含有帶電的分子鏈段以及不帶電的潤滑中性鏈段（圖1d）。前者把陽離子束縛在分子鏈上，以網(wǎng)絡(luò)彈性阻礙離子的向外擴散，有效避免離子泄露；后者可有效降低分子鏈之間的靜電吸引，大幅降低材料的蠕變。在上述分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，團隊提高交聯(lián)密度，進一步降低了材料的蠕變。

制備的離子導(dǎo)體是一種聚電解質(zhì)彈性體（PEE），P（AMT-co-MA）-PMA，具有抗蠕變性。在200kPa拉應(yīng)力下，樣品保持穩(wěn)定的機械和電氣性能（例如拉伸應(yīng)變和阻抗）；當受到峰值應(yīng)力為400kPa、頻率為1Hz的三角波循環(huán)載荷時，峰值應(yīng)變在10萬次循環(huán)中幾乎沒有變化。研究團隊一共制備了三種PEE，只含有帶電分子鏈段的PAMT表示為PEE1，同時含有帶電分子鏈段和不帶電的可滑中性鏈段的P（AMT-co-MA）表示為PEE2，以及在PEE2基礎(chǔ)上加入長鏈PMA增韌的P（AMT-co-MA）-PMA表示為PEE3。三種材料的單軸拉伸曲線如圖2c所示。增韌的PEE3的性能得到顯著提升，具有61.3%的斷裂應(yīng)變，560kPa的拉伸強度，323.5 J m-2的斷裂能和8.2 MPa的壓縮強度。PEE具有非粘性表面并且表現(xiàn)出低遲滯。PEE與金電極的粘附能為20.78 J m-2（圖2g），在加卸載循環(huán)測試中，次和第1000次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎重疊，在1000次循環(huán)中平均遲滯<3%（圖2h）。離子導(dǎo)體的電學(xué)性能同樣至關(guān)重要，團隊對PEE3進行交流阻抗測量并畫出其奈奎斯特曲線和波德相位圖。

團隊通過在兩層金電極之間夾一層PEE來構(gòu)建傳感器。當受到2.5 kPa的瞬間載荷時，傳感器的響應(yīng)時間約3.8 ms，恢復(fù)時間約5.8 ms。傳感器在0-1000 kPa范圍內(nèi)都表現(xiàn)出較高的靈敏度。向傳感器施加約500 kPa的靜壓，其電容在48小時內(nèi)漂移量低于1%。向傳感器施加400kPa的方波循環(huán)載荷，傳感器在總共1000個循環(huán)中的每個循環(huán)相應(yīng)地輸出方波信號。團隊也在更復(fù)雜的情況下驗證了傳感器的無漂移性能，通過在375 kPa的靜壓上疊加50 kPa的周期性波動，傳感器的響應(yīng)與刺激同相。作為對比，研究團隊選用了目前廣泛使用的離子凝膠（PVDF-HFP）-[EMIM][TFSI]進行比較，在500kPa的靜態(tài)壓縮下，電容信號在10分鐘內(nèi)漂移約102.9%。其信號同時也在方波循環(huán)載荷中漂移，或在疊加靜態(tài)和動態(tài)載荷的情況下漂移。

研究團隊提出了漂移比和漂移率兩個指標來定量表征靜壓下的信號穩(wěn)定性。團隊共制作了十種傳感器，其離子導(dǎo)體分別為優(yōu)化的PEE、三種未優(yōu)化的PEE、四種離子凝膠、一種水凝膠以及一種鋰鹽摻雜彈性體。在500kPa靜態(tài)壓力下連續(xù)測試10分鐘，基于優(yōu)化PEE的傳感器在10分鐘內(nèi)表現(xiàn)出約0.33%的平均漂移比，比所有其他傳感器低兩個數(shù)量級。此外，基于優(yōu)化PEE的傳感器在500kPa下的漂移率比其他傳感器的漂移率低2-4個數(shù)量級。研究人員采用傳感器產(chǎn)生漂移行為時壓力和其自身模量的比值，即P/E，來表征傳感器在沒有信號漂移的情況下工作的許用壓力?；趦?yōu)化PEE的傳感器可以在0.45的P/E下工作，相比之下使用傳統(tǒng)軟材料的傳感器和傳統(tǒng)硅基傳感器僅在低于10-4和10-3的P/E時實現(xiàn)無漂移傳感.

最后，研究人員將傳感器集成到一個機械抓手上展示了準確傳感-控制-驅(qū)動的一體化系統(tǒng)。該機械抓手由一個電機驅(qū)動，并配備了一個用于力監(jiān)測的商業(yè)傳感器。使用一個Arduino板來驅(qū)動電機以改變機械抓手的閉合程度（DGC），并利用傳感器的信號作為輸入采用PID程序來控制DGC。該工作演示了集成有無信號漂移傳感器機械抓手的精確控制。其可以在350 kPa的高夾緊壓力下穩(wěn)定地抓住鋼塊。當機械抓手開始工作時，接觸夾持物后電容上升，一旦達到電容的設(shè)定值，DGC被固定，并向機械抓手發(fā)送命令以提升鋼塊。機械抓手可以穩(wěn)定地夾住鋼塊20 min，在此期間DGC和夾持力都保持穩(wěn)定。相比之下，將有漂移行為的基于離子凝膠的傳感器集成到機械抓手上，在350 kPa的固定壓力下PID程序會不斷調(diào)整DGC，使電容接近設(shè)定值，導(dǎo)致鋼塊滑脫。基于無信號漂移傳感器對力的精確檢測，機械抓手可以安全操作脆弱的物體，研究人員演示了在1500秒內(nèi)穩(wěn)定抓住一個小番茄。相比之下，當使用基于水凝膠的傳感器時，水凝膠脫水會導(dǎo)致電信號的降低而導(dǎo)致DGC增加，最終機械抓手捏壞了小番茄。

可精準計量的柔性壓力傳感器具有大規(guī)模工程化應(yīng)用價值，在智能穿戴、人形機器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

來源：傳感器專家網(wǎng)