基于含水弹性体和富离子界面的超宽线性范围的摩擦电传感器

高灵敏度与宽线性范围的矛盾仍制约着有源传感器的进一步发展。本文报道了一种基于含水摩擦电弹性体的微通道梯度结构压力传感器。通过向摩擦电弹性体中注入微量液体，压力引发的水桥效应可调节传感器内置电场，从而在压缩极限附近增强信号线性度。研究发现，液固接触带电现象可通过选择性离子迁移得到强化，而微通道中富离子界面的构建显著提升了传感器灵敏度。因此，该传感器可实现超宽线性范围（5 kPa–1240 kPa)且灵敏度达0.023 V kPa−1，据我们所知这是目前有源传感器中线性范围最宽的成果。本研究不仅推动了摩擦电传感器的实际应用，也为其他传感设备的研发提供了新思路。

该文章创新点如下：

新型传感材料与结构：设计基于含水摩擦电弹性体的微通道梯度结构作压力传感器核心敏感单元。

“水桥效应”调控机制：在摩擦电弹性体中注入微量液体，利用“水桥效应”动态调节电场分布，压缩极限附近增强输出信号线性度。

强化接触带电机制：利用液 - 固接触带电现象，诱导选择性离子迁移强化接触带电效应。

构建富离子界面：在微通道结构中构建富离子界面，提升传感器灵敏度。

卓越综合性能：解决高灵敏度与宽线性范围矛盾，实现超宽线性范围（5 kPa – 1240 kPa）和高灵敏度（0.023 V kPa⁻¹），是目前报道有源传感器中线性范围最宽成果。

普适性研究思路：推动摩擦电传感器实际应用，为其他高性能传感设备研发提供新思路和理论依据。

核心创新：通过独特结构设计，结合对液 - 固界面相互作用利用调控，构建富离子界面，实现传感器超宽线性范围高灵敏度突破，提供可推广范式。

研究背景

压力传感器和触觉传感器能借多种机-电转换机制将应力信号转为可量化、观测的电输出，为智能机器人、智能医疗等领域提供重要支撑。近年来，提高压力传感器灵敏度有诸多突破，但高灵敏度多在极窄线性范围内，其线性度与线性范围和活性材料可压缩性相关，材料达应变极限时线性度衰减、范围不连续。为提高线性度，采用多种混合表面微观形态及多层结构设计。因此，压力传感器高灵敏度与宽线性范围的兼容性值得探索，材料创新与结构设计协同是前提。

基于摩擦电效应的有源传感器在不同压力下可实现高灵敏度、高线性度及自供电。摩擦电压力传感器依赖弹性摩擦电材料，材料压缩到一定程度时，弹性模量增加致线性度衰减、范围不连续，表面电荷密度也影响其灵敏度，弹性可压缩材料电荷密度弱于不可拉伸塑料薄膜材料。优化方法虽能克服压缩限制、扩大线性范围，但可能降低摩擦电荷密度、抑制灵敏度。所以，提高摩擦电压力传感器性能和线性度需兼顾材料力学性能和摩擦起电能力。

本文为聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜构建梯度微通道和富离子界面，制备含水性摩擦电弹性体（GBM-IR PDMS薄膜）。传感器结构中，银纳米线（AgNWs）电极用于薄膜顶部，兼具抗电磁干扰屏蔽和接地电极功能；底部放置带输出电极的FEP薄膜以产生传感信号。注入少量导电液体，薄膜接近压缩极限时形成水桥，调节内建电场，使电压输出稳定。首次证实固-液界面选择性离子迁移可提高电荷密度，增强体电荷密度，提高灵敏度。最终，该摩擦电压力传感器实现高灵敏度与超宽线性范围兼容，提出同步提高二者新方法，推动实用化进程，其可变形水桥设计理念也为其他传感器设计提供启发。

研究流程

GBM-IR PDMS薄膜制备

向糖中加少量水搅拌使颗粒粘连，将细、粗糖倒入不同厚度亚克力模具冷压成型，60℃烘箱干燥5小时得2mm（细糖）、3mm（粗糖）糖模板。将糖模板堆叠成三明治结构压实，放入按10:1质量比混合并脱气5分钟的PDMS中，真空环境下填充空隙10分钟，80℃固化2小时。固化后放入80℃水中搅拌30分钟溶解模板。将带梯度分支微通道结构的PDMS放入氯化铁饱和溶液浸泡3小时，60℃烘箱干燥5小时制得薄膜。孔隙率计算公式为P =（1 - ρ₀/ρ）× 100% =（1 - m_D/m_W）× 100%（结果见表S1）。

GBM-IR PDMS基摩擦电传感器制备

将Ecoflex 00-30的A、B组分按1:1质量比混合，倒在玻璃片上60℃固化30分钟，表面放铜箔，固化后Ecoflex放65℃加热板，喷涂3.3mg/mL银纳米线溶液，固化干燥30分钟后剥离得银纳米线电极。将电极置于GBM-IR PDMS薄膜顶部，底部放经铜电极电晕极化预充电的FEP薄膜，各边浸入未固化Ecoflex，60℃固化2小时，中部注入少量去离子水制得传感器。阵列传感器GBM-IR PDMS薄膜制备方法相同，但1mm糖模板仅用细糖，FEP薄膜和铜电极附着在亚克力传感基体上，银纳米线电极尺寸包裹整个基体。

PDMS样品表征

用液滴型摩擦纳米发电机（由PDMS薄膜、铜膜、亚克力板组成）表征处理和未处理PDMS样品接触起电能力，从接地不锈钢针头（直径2mm）释放液滴（每滴约25μL，滴落频率约每分钟40滴），针头在聚合物表面上方固定高度倾斜30°，液滴高度0.6cm，实验在自制法拉第笼中进行。用接触角测量仪（CA100C）测试接触角。

热刺激去极化电流（TSDC）实验

用介电阻抗谱仪（Nanocontral Concept 90）测量TSDC。将纯PDMS和氯化铁处理的PDMS薄膜在293K、2kV/cm外电场中极化5分钟，快速冷却至123K，加热过程中测量两侧镀金样品的去极化电流。基于阿伦尼乌斯关系，电流I公式为I = (SA P₀ / τ₀) exp(Eₐ/(k_B T)) exp[- τ₀ (1/β) ∫(从T₀到T) exp(Eₐ/(k_B T)) dT] ，活化能Eₐ通过lnI - 1/T曲线斜率估算，公式为lnI = ln(SA P₀ / τ₀) - Eₐ/(k_B T) 。

力学表征

直线电机控制压力加载和卸载，三轴电机控制压力运动模式，测力计（Handpi/HP - 10）测试力值，电动测试仪器（Instron，E3000）进行静态和动态力检测。

表征与电学测量

用扫描电子显微镜（Hitachi SU8020）拍摄GBM-IR PDMS薄膜SEM照片，傅里叶变换红外光谱仪（VERTEX80v，Bruker）测量红外吸收光谱，X射线光电子能谱仪（Escalab 250Xi，Thermo Fisher）和飞行时间二次离子质谱仪（PHI nano TOF II，ULVAC）分析表面元素组成和分子结构，可编程静电计（Model 6514，Keithley）测量电压、电流和电荷，静电电压表（Model 341B，Advanced Energy Industries）测量表面电位。

结果解析

压电传感器的综述及主动层的概念

GBM-IR PDMS薄膜及压力传感器的制备

红外PDMS的表征

基于GBM-IR PDMS的摩擦电传感器的传感特性

基于GBM-IR PDMS的摩擦电传感器，用于压力映射和角识别

研究结论

本文提出以GBM-IR PDMS薄膜为核心元件的摩擦电压力传感器，实现高灵敏度与超宽线性范围兼容。可拉伸银纳米线层作接地电极，其屏蔽层降杂波幅度超92.59%；预充电FEP薄膜附于输出电极表面，GBM-IR PDMS夹在二者间，其与接地电极的电势差为信号来源，弹性形变可调节信号与压力关系。

为突破材料压缩极限对传感线性度的限制，向GBM-IR PDMS薄膜中部注入少量液体，压缩至极限时形成水桥，确保电压输出随压力线性变化，传感器线性范围达5–1240 kPa，为有源压力传感器最宽范围。

同时，微通道内液体压缩引发接触起电，固-液起电效应提高体电荷密度，提升灵敏度。首次发现固-液界面选择性离子迁移促进接触起电，离子渗透处理后，累积转移电荷总量和单次接触转移电荷分别增115.14%和78.01%，经氯化铁溶液渗透，传感器灵敏度达0.023 V/kPa，较无富离子界面传感器提高228.57%。

为展示适用性，制备3×3传感器阵列用于压力空间分布映射，设计弯曲传感器检测关节弯曲角度。本研究提出解决高灵敏度与宽线性范围兼容性问题的新策略，推动摩擦电传感器等实际应用，固-液接触起电的非平衡离子迁移现象或为其他领域提供新思路。

技术来源：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54980-x