含碳泡沫材料塑造超灵敏压力传感器 助力医疗可穿戴设备

据麦姆斯咨询报道，法国国家科学研究中心（CNRS）的研究小组利用非常简单的工艺步骤和廉价的材料，设计出了一种薄电容式传感器，这种传感器由具有超高压力灵敏度的含碳弹性泡沫材料制作而成。

该研究团队在自然合作期刊（Nature Partner Journals, npj）《npj-柔性电子》上发表了一篇题为“Polymeric foams for flexible and highly sensitive low-pressure capacitive sensors”的论文，文中详细介绍了这种由复合泡沫材料构成的电容式传感器，该泡沫材料的闭气孔被导电炭黑颗粒所覆盖。研究人员采用油包水乳液法，将由炭黑（CB）液滴组成的水基乳状液分散到固化前的PDMS基体中。固化聚合物后再完成水蒸发，就会形成一种弹性体结构，该结构的球形空隙上覆盖着炭黑颗粒。然后将复合泡沫夹在顶部和底部两条导电柔性碳带电极之间，以形成一种三明治结构，获得完整的电容式传感器。

通过试验不同的炭黑浓度、分散浓度和材料厚度，研究人员发现，在1.2mm薄的复合泡沫层中加入10?wt %的炭黑，可获得优异的灵敏度。论文中显示，0 ~ 0.2kPa范围内的压力灵敏度为35.1kPa?1，0.2 ~ 1.5kPa范围内的压力灵敏度为6.6kPa?1。

聚合物泡沫（PDMS）中被炭黑所覆盖的导电孔

此外，该材料具有高电容（超过100pF），可在无需任何信号放大的情况下，轻易地使用低成本电子设备来测量。只需1v的偏压即可记录器件的电容响应，且由于材料电阻率较高，该传感器在1kPa压力传感下能耗只需约100nW（显示10MΩ电阻）。研究人员称，这比传统的硅压阻式压力传感器效率高出几个数量级。

将这种电容式压力传感器安装在受试者手腕上，可记录动脉脉搏的压力变化，提供实时且原位的电容读数

研究者预计，这种超灵敏传感器可被设计为一种简单的贴片来监测血压，通过记录动脉脉搏波（如电容信号）并使用基于人工智能（AI）的算法将其转换成对应的压力值。

这种复合材料也可用于设计机器人的压敏人造皮肤。论文中提到了一种特殊医学应用，可利用机器人“触诊”软组织器官，来检测软组织中的嵌入式结节。研究者指出，毫米级结节的硬度变化低于0.1?kPa，这就需要像论文中所示的高度灵敏传感器。