1. 研究背景：
电容式柔性应力传感器在实际应用中容易受到多种干扰因素的影响，这些干扰包括温度波动、电磁干扰、杂散电容效应以及无处不在的振动，将直接影响传感器测量的准确性，严重时甚至可能导致整个检测系统的失效。为了提高柔性传感器在复杂环境中的稳定性和可靠性，通常需要采取器件封装、信号补偿和传感材料优化等措施。功能相与柔性基体之间的模量失配问题也很突出，这会影响传感器的性能和寿命。柔性固-液主客体复合材料通过结合基体的柔性和液体的流动性，有效缓解了界面模量失配的问题。在这类复合材料的研究中，离子液体（IL）作为功能相融入柔性基体，已经吸引了大量研究关注。如何充分利用IL的特性来实现优异的抗干扰性能，同时简化结构设计和制备工艺，是一个关键问题。此外，柔性固-液主客复合材料的抗振动干扰性能也值得进一步研究，以提高其在动态环境下的应用潜力。
2. 文章概述：
近日，由浙江大学秦发祥研究员领导的科研团队报道了一种具有全面抗干扰能力的双电极对传感器。该传感器通过简单而高效的设计，使得电容式柔性应力传感器在抗干扰性能上实现了全面且显著的提升。研究团队采用离子液体（IL）浸泡静电纺丝热塑性聚氨酯（TPU）纤维毡，构造了一种既具有高离子电导率又具有高介电常数的共连续结构（TPU@IL），并将其作为传感介质材料。文章详细阐述了PET封装的双电极对TPU@IL传感机制，展示了其对温度和应力敏感性不同的电容式和电阻式传感器的优化设计，实现了温度-应力双模式传感。特别的是TPU@IL/PET电容式传感器的灵敏度曲线呈现出独特的S形，并且具有可调节的阶跃应力点。虽然在灵敏度和响应时间上有所权衡，但TPU@IL/PET传感器在机电稳定性、可靠性以及对各种干扰的强抗干扰能力方面表现出色。
3. 图文导读：
图 1. 概述和性能演示。(a)双电极对电容式和电阻式传感器的装配示意图。(b)TPU@IL/PET电容式传感器的灵敏度曲线。(c)传感器的等效电路图和横截面示意图。(d)强大的全面抗干扰性能示意图。(e)与其他抗干扰工作的比较图。
图 2. 双电极对电容和电阻传感器的制备和表征。(a)TPU@IL制备和双电极对传感器装置示意图。(b-d) TPU@IL纤维毡的截面形貌和元素分布。
图 3. 双电极对传感器的阻抗分析和温度去耦。(a)电极对A-D和B-C的电容随应力变化的曲线。(b)TPU@IL/PET和TPU@IL介电常数的实部和虚部与频率的关系曲线。(c)TPU@IL和 TPU@IL/PET的等效电路图。(d，f）TPU@IL和TPU@IL/PET的复阻抗谱奈奎斯特图（实心点）和拟合结果（实线）。(e、g）TPU@IL和TPU@IL/PET的Bode-Z和Bode-Phase曲线。(h)双电极对电容式和电阻式传感器的布线示意图。(i)TPU@IL/PET（电极对A-D）电容式传感器的电容灵敏度曲线和TPU@IL（电极对B-C）电阻式传感器的电阻灵敏度曲线。(j)TPU@IL 电阻传感器在阶梯温度变化下的ΔR/R0。(k)温度与ΔR/R0的拟合线。(l)TPU@IL/PET电容式传感器在阶梯温度变化下的ΔC/C0。
图 4. TPU@IL/PET阶跃电容信号和阶跃点调整机制。(a-c）浸入IL的ITO/PET电极的显微图像。(d) 浸入IL的ITO/PET 电极示意图。(e)不同电极厚度的灵敏度曲线。(f)不同IL含量的灵敏度曲线。(g)不同电极面积的灵敏度曲线。
图 5. TPU@IL/PET电容式传感器的传感性能。(a)在五个连续周期中，ΔC/C0对不同应变的响应。(b)在30%应变时连续五个周期的ΔC/C0变化。(c)TPU@IL/PET电容式传感器在阶跃应力加载下的ΔC/C0。(d)加载和卸载重量时的ΔC/C0。(e)300 kPa应力下不同应力加载速率下的ΔC/C0响应。(f) TPU@IL/PET电容式传感器的响应时间和(g)长周期稳定性。
图 6. TPU@IL/PET电容式传感器的抗杂散电容和抗电磁干扰性能。(a)杂散电容和EMI抗干扰测试装置示意图。(b)不同材料在不同距离上的ΔC/C0。(c)不同杂散电容干扰源的ΔC/C0斜率。(d, e)以玻璃为干扰源的TPU@IL/PET和TPU/PET的电场分布。(f、g）带有电磁干扰源的TPU@IL/PET和TPU/PET的电场分布。(h）不同电磁干扰强度下TPU@IL/PET和TPU/PET的ΔC/C0。
4. 结论：
团队开发出了一种双电极对电容式和电阻式传感器，能够进行温度-应力双模传感，并具有全面的抗干扰能力，可抵御各种干扰。该传感器结构简化，制造工艺简单，只需将电纺TPU纤维毡浸入IL中，然后直接与PET层和ITO/PET电极组装，以防止液体泄漏。通过对TPU@IL和TPU@IL/PET的介电和阻抗特性进行系统研究，并结合电极对应力和温度的敏感性分析，确定了最佳配置。双电极传感能力实现了应力和温度的解耦。值得注意的是，TPU@IL/PE 电容式传感器显示出异常的S型灵敏度曲线，阶跃的起始应力点可调，从而增强了传感的鲁棒性。尽管在灵敏度和恢复时间上有所妥协，但传感器的简单结构实现了全面且强大的抗干扰性能，在4000次加载-卸载循环中保持了稳定的性能。
论文信息：
Comprehensive and Robust Anti-Jamming Dual-Electrode Pair Sensor
Yanlin Chen, Tangfeng Feng, Changfeng Li, Faxiang Qin*
Small
DOI: 10.1002/smll.202406739
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