基于P(VDF-TrFE)/碳黑复合薄膜的高灵敏度柔性压阻压力传感器及其在低压检测中的应用

本文报道了一种基于P(VDF-TrFE)/碳黑(CB)复合薄膜的超薄柔性压阻传感器，通过优化CB含量(0.75 wt%)实现了5.63 kPa-1 的平均灵敏度和314 kPa-1 的峰值灵敏度，最低检测限达0.5 Pa。该研究解决了传统压阻传感器在低压检测中灵敏度不足的问题，为可穿戴设备和电子皮肤应用提供了高性能解决方案。

　　

在人工智能和移动互联网快速发展的今天，柔性压阻传感器因其结构简单、生物相容性好和实时健康监测能力，在可穿戴设备、电子纺织品和机器人智能应用中备受关注。然而，现有传感器在低压检测时往往面临灵敏度不足、制造工艺复杂等挑战。传统硅基压阻传感器存在加工复杂、灵活性差等问题，而电容式和压电式传感器又分别受限于低灵敏度和无法静态测量的缺陷。

为突破这些限制，国外研究人员开发了一种基于聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))/碳黑(CB)纳米复合材料的超薄柔性压阻传感器。这项发表在《Materials》上的研究通过精确控制CB含量在0.75 wt%，实现了创纪录的性能指标：在0-250 Pa范围内平均灵敏度达5.63 kPa^-1
，在0.5 Pa时最大灵敏度高达314 kPa^-1
，响应时间仅20 ms，最低可检测0.5 Pa的压力变化。

研究采用了多项关键技术：通过旋涂法制备厚度约4 μm的P(VDF-TrFE)/CB复合薄膜；利用原子力显微镜(AFM)和X射线衍射(XRD)表征材料形貌和晶体结构；采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析β相含量；通过精密力学测试系统评估传感器性能。

在材料表征方面，研究显示：

1. 表面和结构表征：AFM显示CB含量增加导致表面粗糙度从54 nm(0.75 wt%)增至114 nm(1 wt%)，光学显微镜观察到CB聚集增强导电性。
2. XRD分析：0.75 wt%样品在19.5°处显示最强β相衍射峰，证实最佳结晶度。
3. FTIR检测：850 cm^-1
   处吸收峰强度变化验证CB促进β相形成。

电学性能测试发现：

1. 渗流阈值：0.6 wt% CB时出现绝缘体-导体转变，0.75 wt%样品处于最佳渗流区域。
2. 动态压力测试：0.75 wt%样品在0.5 kPa压力下电阻变化达62.2%，100次循环后仍保持稳定。
3. 准静态测试：对20 mg(0.5 Pa)重量仍能产生可检测信号，信噪比达11。

机制研究表明，超高灵敏度源于三方面协同作用：ITO电极纳米结构增加接触面积(贡献约23%)、压电基质调制隧道效应(55%)以及体材料中偶极电荷重排(22%)。通过调控退火温度(60-145°C)改变β相含量实验，证实压电特性对灵敏度的重要影响。

在实际应用测试中，该传感器成功监测了手指弯曲(30°-50°)、手腕运动等生理信号，并能识别鼠标点击等精细动作。通过LED亮度变化直观展示压力响应，验证了其在远程医疗监测中的潜力。

这项研究的重要意义在于：首次将P(VDF-TrFE)的压电特性与CB的导电渗流网络相结合，创造了当时报道中灵敏度最高的柔性压阻传感器。相比需要复杂微结构的传统设计，该方案通过材料选择和界面工程实现了性能突破，为开发低成本、可大规模生产的智能传感系统提供了新思路。特别是在医疗监测领域，其检测人体微弱生理信号的能力，为发展新一代电子皮肤和智能假肢等应用奠定了技术基础。