包含柔性压力传感器的电子皮肤在软体机器人、可穿戴设备、可变形触碰板等领有重要应用。然而，柔性电容式压力传感器（Capacitive Pressure Sensors, CPS）有一个众所周知的瓶颈——其灵敏度随着压力的增加而急剧衰减。鲁南姝教授团队去年在Advanced Materials发表了一种复合响应压力传感器（Hybrid-response Pressure Sensors，以下称为 HRPS ）为解决这一挑战提供了全新的思路。HRPS由多孔纳米复合材料 （porous nanocomposite, 以下称为PNC) 、超薄绝缘层（PMMA）以及一对薄膜金电极组成，见图1a。由于PNC有碳纳米管参杂，HRPS同时具有压阻和压容响应，所以其灵敏度远高于各种传统的CPS（图1b）。这种复合响应可以由简化的并联电阻-电容器电路模型描述（图1c）。

图1 (a) HRPS 结构示意图。(b) HRPS 相较于传统柔性电容式传感器更加灵敏。(c) HRPS的等效并联电阻-电容器电路模型。

图2 (a) HRPS 测量实验示意图。(b)不同掺杂比HRPS的无变形扫频响应。(c-f) 不同掺杂比HRPS在不同测量频率下的压容响应。

图3 (a) PNC 扫频测量实验示意图。(b)不同掺杂比PNC无变形扫频电阻变化，体现了电阻率随频率变化。(c) 不同掺杂比PNC无变形扫频电容变化，体现了介电常数随频率变化。

  接着，该文从已有的等效电路模型出发，通过公式推导发现了两个无量纲参数

图4 (a) 通用曲线以及HRPS的三个不同响应阶段：压阻效应阶段，复合效应阶段，压容效应阶段 (黑色曲线代表通用曲线)。(b) 扫频实验数据与通用曲线对比。(c-f)不同掺杂比HRPS受压实验数据与通用曲线。(注意，当HRPS 受压增大时, 横轴变小。 )

  通用曲线可以被图2所示的实验进行验证（图4），当测量频率较小的时候，通用曲线与实验吻合较好。当测量评率较大时，Y² <<1的条件将不再满足，HRPS的电容需要由X和Y两个无量纲参数决定。

  由图5可以得知，当HRPS已经制备完成，还可以通过调控工作频率来提高HRPS的灵敏度——因为只需要使落入复合响应的范围之中即可。假如PNC制备中参杂碳纳米管过量了，使得其初始电阻过小，那么HRPS的初始电容值（紫色空心三角）与受压后的电容值（紫色实心三角）相差就不大，意味着HRPS灵敏度不高。那么可以选择提高工作频率ω从而增大 , 使得HRPS的电容范围由紫色空心三角-紫色实心三角变为紫色空心圆环-紫色实心圆环，以此来扩展HRPS灵敏度。同理，如果PNC掺杂的碳纳米管过少，使得PNC初始电阻过大，可以通过降低工作频率ω来让HRPS的电容范围由青色空心三角-青色实心三角变为青色空心圆环-青色实心圆环，从而增大HRPS灵敏度。

图6 压阻和压容效应分别对HRPS电容变化的贡献

  文章第一作者为UT-Austin鲁南姝教授团队博士生李征杰，之后依次为已毕业博士Kyoung-Ho Ha， 目前在西北大学John Rogers教授组从事博后研究；王哲梁博士，毕业于Johns Hopkins University ，目前在鲁南姝教授组从事博后研究；博士生Sangjun Kim，本科生Ben Davis，本科生Ruojun Lu，Jayant Sirohi 教授，以及鲁南姝教授，她也是论文唯一通讯作者。

  原文链接：

  https://doi.org/10.1039/D2SM01250B

  https://doi.org/10.1002/adma.202103320