主动式压力传感器特别是摩擦电压力传感器具有灵敏度高、结构简单、功耗低等优点，但高线性度和宽线性区间的不兼容，以及摩擦电传感器易受环境电磁干扰等问题严重阻碍了传感器性能的进一步提高。传统的电容式传感器和摩擦电式传感器都有一个共同的局限性，他们线性区间的宽度受限于弹性材料在压缩过程中的弹性模量的变化。当弹性可压缩材料接近其压缩极限的时候，它的弹性模量会变大，导致需要更大的压应力才能实现同样多的压缩进深，而同时器件的电容变化和摩擦电压变化都会趋于饱和。由此，传感信号和压力信号之间的线性变化关系就会被破坏，导致传感器的线性区间变短，或者出现多个区间共同工作的现象。传感信号线性度的消失会导致应力测量的不准确以及由于校准所造成的信号滞后，会使得传感器的检测域缩小，严重影响其性能的提升。
北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员课题组提出了利用梯度多孔的弹性体和富离子界面材料作为摩擦电有源层的研究策略。这种弹性体材料内部有相互贯通的微流体通道和致密阻挡层结构，当注入极其微量的导电液体之后，弹性体中微量液体会在其接近压缩极限时形成的上下导通的“水桥”结构，可以进一步在机械变量达到极限的基础上实现电压信号的更大幅度的变化。该方法可以将传感器限制从机械量极限转变成电荷量极限，成功突破了由于弹性体压缩极限引起的线性度衰减，实现了5-1240 kPa 的超宽线性区间，是目前主动式和电容式传感器中最宽的线性区间。此外，还对微通道表面进行了富离子化处理，首次利用离子的选择性转移提高固液起电性能。微量流体富离子孔道中的挤压和移动会带来额外的摩擦静电荷的积累，使得器件的体电荷密度得到大幅度提升。电荷密度的提升意味着输出电压幅值的增加，也同时会提升传感的灵敏度。最终，线性区间内灵敏度稳定为0.023V·kPa-1。
摩擦电传感器感知压力的原理是上下电极在压力作用下距离发生变化，从而引起输出电极上的电位降。因此距离即有源层的形变随压力的线性变化可以带来电压随压力的线性变化。而线性度的衰减来源于有源层被压缩至接近极限时杨氏模量的显著增加，形变随压力的非线性变化引起了电压信号随压力的非线性变化。基于此，团队设计了具有梯度微通道的弹性体薄膜（GBM-IR PDMS），具有梯度微通道的夹层结构，在两层缓冲层（阻水层）中间为陷阱层（含水层），微量的导电液体用注射器注入陷阱层中。相互连接的微通道结构提供了高可压缩性，以及导电液体的扩散路径。在这种结构中，当摩擦电弹性体被压缩到其变形极限时，液体受到挤压，并逐渐形成连接接地电极和预极化FEP膜的水桥。由于水桥的导电性，FEP膜与接地电极之间的电位发生了重新分布，进一步减小了接地电极与FEP膜之间的既定电位降，并产生更多的电压信号来补偿传感信号的线性。因此，在这种状态下，输出电压的变化幅度也是由水桥的形成决定的，可以通过液体的量来调节。通过注入适量的液体，可以优化输出电压的变化幅度，实现线性范围的连续性和扩宽（图1f）。顶部银纳米线（AgNWs）喷涂而成的电极接地后具有屏蔽效果，将环境杂波干扰降低了92.59%（图2e）。
综上所述，基于GBM-IR PDMS薄膜作为核心元件的摩擦电压力传感器，具有高灵敏度和超宽线性范围的兼容性。为了突破材料压缩极限对传感线性度的限制，在GBM-IR PDMS薄膜中间注入微量液体，利用该液体的导电性对内置电场进行调制。这保证了电压输出仍然随着施加压力的增加而线性变化。因此，线性范围的宽度达到5- 1240 kPa，这是主动式（摩擦电或压电）压力传感器所能达到的最宽范围。同时，微通道内微小液体的压缩过程也导致了接触起电。这种固液起电增加了GBM-IR PDMS薄膜的体电荷密度，提高了传感器的灵敏度。更有趣的是，首次发现固液界面上的选择性离子转移过程可以促进接触起电。这一工作提出了一种不同的策略来解决高灵敏度和宽线性范围的兼容性问题，这将有助于促进摩擦电传感器和其他弹性电子器件的实际应用。在固液接触起电过程中观察到的选择性离子转移现象也可能为电化学、表面催化和其他领域提供新的见解。
【参考文献】
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54980-x
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