基于氧化锆纳米颗粒填充聚二甲基硅氧烷复合材料的柔性电容式压力传感器的设计与性能研究

为解决柔性电容式压力传感器(fCPS)在灵敏度、响应速度和耐久性方面的挑战，研究人员通过将氧化锆纳米颗粒(ZNPs)以不同比例(0-1.5 wt%)分散于聚二甲基硅氧烷(PDMS)基质中，制备了新型介电弹性体复合材料(DEC)夹层。该传感器在0-5 kPa范围内表现出1.69 kPa?1的高灵敏度，兼具低滞后(5.4%)和快速响应(128/190 ms)，为生物医学监测和人机交互提供了创新解决方案。

　　

随着可穿戴设备和智能医疗的快速发展，柔性压力传感器因其轻量化、低功耗特性成为研究热点。然而，传统传感器在宽压力范围内的灵敏度非线性、响应迟滞等问题严重制约其临床应用。电容式传感器(PPC)虽通过介电层形变或介电常数(?)变化实现传感，但现有材料的介电损耗和驱动电场强度仍待优化。

为突破这一瓶颈，研究人员设计了一种基于氧化锆纳米颗粒(ZNPs)增强的聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料。通过将ZNPs以0.5-1.5 wt%梯度浓度分散于PDMS基质，构建了四种介电弹性体复合材料(DEC)夹层，并采用涂覆导电银环氧树脂的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性基底组装成传感器。研究发现，ZNPs的引入显著提升了复合材料的介电常数，其中1.5 wt%组在0-5 kPa低压区呈现1.69 kPa^?1的超高灵敏度，远超同类研究；而在5-145 kPa高压区仍保持0.006 kPa^?1的稳定响应。

关键技术包括：纳米颗粒分散工艺优化、三明治结构传感器组装、介电性能测试系统搭建，以及压力-电容响应曲线分析。研究团队特别开发了动态加载测试平台，量化了传感器的响应时间(128 ms)和恢复时间(190 ms)。

在"介电性能表征"部分，阻抗分析仪数据显示ZNPs含量与介电常数呈正相关，1.5 wt%组介电常数提升达300%。"灵敏度测试"揭示双线性响应特征，低压区灵敏度较纯PDMS提升85倍。"动态性能评估"通过周期性加载证实5.4%的滞后率，优于多数柔性传感器。"功能验证"实验成功演示了脉搏波监测、关节运动捕捉等生物医学应用场景。

讨论部分指出，该研究首次系统论证了ZNPs对PDMS基传感器性能的梯度影响机制：纳米颗粒通过界面极化效应增强介电响应，而PDMS基质保障了柔性。这种DEC结构设计为开发宽量程传感器提供了新思路，其低压区性能尤其适合微压监测场景。论文发表于《Sensors International》，为柔性电子与医疗健康的跨学科研究树立了典范。未来可通过优化颗粒分散均匀性进一步提升高压区灵敏度，推动其在机器人触觉、智能假肢等工业领域的应用。