软离子弹性体的微观结构与粘弹性在超电容压力传感器中的作用机制研究

《Advanced Science》：Understanding the Roles of Microstructure and Viscoelasticity of Soft Ionic Elastomer for Super-Capacitive Pressure Sensors

本文系统揭示了软离子弹性体微观结构（如高度梯度半球）与粘弹性对电双层（EDL）驱动传感性能的调控机制，通过力学-电学耦合分析建立了结构-性能关系，研发出灵敏度达2.70 nF/kPa、线性范围0–2000 kPa的传感器，为电子皮肤、生理监测及机器人触觉提供了创新设计范式。

　　

摘要

软离子导电弹性体凭借电双层（EDL）效应，在超电容压力传感器中展现出高灵敏度与快速响应优势。本研究通过整合力学与电学分析，系统阐明了弹性体微观结构、固有粘弹性与传感器性能的关联，验证了EDL机制如何通过微结构优化与粘弹性调控提升灵敏度、线性范围及稳定性。

1 引言

传感器作为机电系统的核心组件，可将压力等物理信号转换为电信号。电容式传感器因结构简单、响应快、功耗低，广泛应用于医疗、人工智能等领域。传统电容传感器灵敏度依赖介电层厚度（d）与面积（A）变化，而离子弹性体通过纳米级EDL距离（d_i）显著提升灵敏度。然而，非确定性微结构设计易导致性能波动，且软离子弹性体的力学特性（如粘弹性）对传感行为的影响尚未明确。

2 实验结果

2.1 概念设计

传感器采用铂/聚对苯二甲酸乙二醇酯（Pt/PET）电极与聚乙烯醇-磷酸（PVA/H₃PO₄）离子电解质层，通过高度梯度半球结构优化接触面积变化（图1）。

2.2 半球几何与EDL机制

半球高径比（D:H）直接影响等效刚度与接触面积。有限元分析表明，高径比增大（如1:0.25）可提升刚度，但初始非线性增强；半球结构（1:0.5）在灵敏度与线性间取得平衡（图2）。EDL电容与等效接触面积呈线性关系，单位面积电容（UAC）约为178.45 ± 12.70 nF/mm²。离子浓度（6%–13.4%）通过调控电导率与UAC影响灵敏度，10%浓度时兼顾电学输出与粘弹性恢复性。

2.3 离子浓度与粘弹性行为

粘弹性测试显示，高离子浓度（13.4%）材料在加载-卸载频率增加时滞后（H_i）增大，恢复系数（1/H_i）降低。10%浓度材料在0.5–4 Hz频率下呈现最优的机械恢复性与电容稳定性（图3）。

2.4 高度梯度半球结构

基于Hertz接触理论，设计三种高度梯度结构（A₆₀₀B₅₅₀C₅₀₀、A₆₀₀B₅₀₀C₄₀₀、A₆₀₀B₄₅₀C₃₀₀）。其中A₆₀₀B₅₀₀C₄₀₀结构在0–2000 kPa范围内实现线性响应，灵敏度达2.70 nF/kPa，传感因子（灵敏度×线性范围）优于同类设计（图4）。

2.5 传感性能

传感器响应时间0.06 s，可检测0.2 kPa微压，在100 kPa预压下循环10,000次仍保持稳定（变异系数<0.9%）。动态测试（0.2–2 Hz）表明其适用于实时生理信号监测（图5）。

2.6 人体生理信号检测

传感器成功监测肘部弯曲、手指角度（30°–90°）及行走/跳跃运动。腕部脉搏检测中清晰识别叩击波（P₁）、潮波（P₂）和舒张波（P₃），增强指数（AIr=0.6）与心率（76 bpm）符合青年健康标准（图6）。

2.7 仿生电子皮肤与压力映射

传感器集成于机器人抓手上，可区分柑橘与不锈钢物体的硬度及表面曲率（图7）。结合机器学习（KNN、SVM等算法），对9类物体识别准确率达100%。5×5传感器阵列实现压力位置与形状（圆柱/立方体）的精确映射。

3 讨论

本研究通过几何设计、离子浓度调控与EDL机制验证，建立了软离子弹性体传感器从微观结构到宏观性能的设计框架，为高性能柔性电子器件开发提供理论支撑。

4 方法

详细介绍了PDMS模具制备、PVA/H₃PO₄电解质层成型、电极溅射及有限元模拟方法，确保结构精度（误差<5%）与实验可重复性。