基于聚氯乙烯/炭黑复合材料的本质上对温度不敏感的柔性压力传感器

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Intrinsically Temperature-Insensitive Flexible Pressure Sensor Based on Polyvinyl Bhloride/carbon Black Composites

开发了一种具有接近零电阻温度系数（-0.0077%°C-1）的PVC/CB导电复合材料，成功制备出耐温柔性压力传感器，其灵敏度达0.514 kPa-1，响应时间15 ms，稳定性优异，适用于可穿戴设备、医疗监测等领域。

　　近年来，随着可穿戴设备、机器人、医疗设备以及特殊装备的快速发展，对新型压力传感技术的需求日益迫切。压力传感器作为感知外部物理力的关键元件，广泛应用于电子皮肤、智能穿戴设备、智能家居、机器人和人机交互等领域。然而，传统的导电聚合物复合材料（CPCs）在应用过程中往往表现出对温度的敏感性，这会导致传感器在不同温度环境下的测量结果出现偏差，从而影响其准确性和可靠性。因此，如何设计出一种具有优良温度稳定性、能够抵抗温度变化影响的CPC基柔性压力传感器，成为当前研究的重点之一。

在本研究中，科研人员成功开发了一种基于聚氯乙烯（PVC）与碳黑（CB）的导电复合材料，其电阻温度系数接近于零（在25–55°C范围内为-0.0077% °C?1）。这一特性使得该材料在温度波动下保持电阻稳定，从而有效防止了传统导电复合材料在温度变化时出现的电阻变化。这种PVC/CB功能性浆料被用于制备微柔性压力传感器的压敏层，通过丝网印刷技术实现。该传感器在多种测试中表现出良好的温度稳定性、高灵敏度、快速响应和恢复时间，以及优异的重复性，为CPC基柔性传感器的设计与制备提供了新的思路。

导电聚合物复合材料因其独特的导电性能和可加工性，在柔性压力传感器的制造中具有重要地位。然而，其温度敏感性一直是限制其广泛应用的主要因素之一。传统的导电复合材料在温度变化时，由于热膨胀、电子隧穿效应和热扰动等因素的共同作用，会导致电阻的显著变化。这种变化不仅影响传感器的灵敏度，还可能降低其测量精度，限制其在复杂环境中的使用。因此，研究具有温度稳定性的导电复合材料，以提升CPC基柔性压力传感器在温度干扰下的稳定性，具有重要的现实意义。

在本研究中，科研人员选择了PVC作为基体材料，因为其热膨胀系数低于常见的其他聚合物材料，如硅橡胶（PDMS）、聚乙烯（PE）和聚偏氟乙烯（PVDF）。同时，他们采用球形碳黑作为导电填料，通过电子隧穿效应构建导电网络。通过调节CB的添加量，可以有效平衡PVC基体因热膨胀导致的正温度电阻效应（PTC）和CB导电网络因电子隧穿效应导致的负温度电阻效应（NTC）。当这两种效应达到平衡时，PVC/CB复合材料表现出接近于零的电阻温度系数，从而实现温度稳定性。这一发现为设计具有温度稳定性的柔性压力传感器提供了理论依据和实验支持。

为了进一步验证这一材料的性能，科研人员制备了不同CB含量的PVC/CB浆料，并测试了其电阻温度系数。实验结果表明，当CB含量为8.75 wt%时，其电阻温度系数达到-0.0077% °C?1，这是所有测试中最低的数值。这一结果表明，PVC/CB复合材料在温度变化下能够保持电阻稳定，从而显著提升了柔性压力传感器的测量精度。此外，该材料还表现出良好的导电性和可加工性，适合用于制备柔性电子器件。

在传感器的制备过程中，科研人员采用了丝网印刷技术，将PVC/CB功能性浆料涂覆在定制的筛网板上，并通过刮刀以特定角度和速度将其印刷到PVC基底上。随后，通过热塑密封工艺将电极层与压敏层结合，形成最终的传感器结构。实验结果显示，该传感器在115 Pa-1500 Pa的压力范围内表现出高灵敏度（0.514 kPa?1）、快速响应时间（15 ms）和良好的恢复时间（21 ms），同时具备优异的稳定性和重复性。这些性能指标表明，该传感器在实际应用中具有较高的可行性。

为了进一步探究该传感器的温度稳定性，科研人员在25°C和40°C下进行了三次动态压力测试，并在25–55°C的温度范围内测试了6 kPa、40 kPa和60 kPa的恒定压力情况。测试结果表明，无论温度如何变化，该传感器的电阻变化都较为微小，表现出良好的温度稳定性。此外，该传感器在不同频率下的输出信号也保持一致，进一步验证了其在多种环境下的可靠性。实验还表明，该传感器对湿度变化不敏感，这得益于热压封装工艺带来的良好密封性，使其在实际应用中具备更高的稳定性和适用性。

在实际应用方面，该传感器被用于多种场景，包括计算机鼠标点击监测、振动信号采集以及手腕脉搏检测等。当该传感器被贴附在鼠标按键区域时，能够准确捕捉手指在点击过程中的压力变化，实现对点击次数的精确监测。此外，当该传感器被放置在手机上时，能够有效检测手机的振动信号，为智能设备的交互提供了新的可能性。在手腕脉搏检测方面，该传感器被放置在腕部的桡动脉上，能够实时监测脉搏信号，并准确记录脉搏频率，为医疗监测提供了可靠的工具。

此外，科研人员还设计了一种3×3的柔性压力传感器阵列，用于实现空间分布传感和触觉反馈。通过在传感器的不同单元上施加不同重量（10 g、20 g、100 g），该阵列能够区分不同重量，并准确记录其在阵列中的位置。这一设计不仅提升了传感器的多功能性，还为柔性电子设备的集成化和模块化提供了新的思路。通过将传感器贴附在手指关节处，该设备能够检测和监测手指的弯曲情况，为可穿戴设备的开发提供了重要的技术支持。

综上所述，本研究成功开发了一种基于PVC/CB复合材料的柔性压力传感器，其电阻温度系数接近于零，表现出良好的温度稳定性。该传感器不仅具有高灵敏度、快速响应和恢复时间，还具备优异的稳定性和重复性，为CPC基柔性传感器的设计与制备提供了新的思路。通过实验验证，该传感器在多种实际应用场景中表现出良好的性能，具有广泛的应用前景。未来，该技术可以进一步推广到智能机器人、医疗监测、可穿戴设备、航空航天等领域，为柔性电子技术的发展提供重要的支持。