柔軟的電容式觸覺(jué)（壓力）傳感器在人機(jī)界面、柔軟的機(jī)器人和電子皮膚的應(yīng)用具有巨大應(yīng)用潛力。該類型電容器是典型的“三明治”結(jié)構(gòu)，由上下電極和軟電介質(zhì)組成，按壓電容器使電極距離減小，增加電容。通過(guò)選用柔軟且具有高介電常數(shù)的介電材料，可以最大程度地提高傳感器的靈敏度，但這些特性通常會(huì)相互沖突。
為了解決這一問(wèn)題，美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)Michael Dickey團(tuán)隊(duì)制備了一種超柔軟，可壓縮，并且具有高介電常數(shù)的液態(tài)金屬?gòu)椥泽w泡沫。通過(guò)壓縮泡沫，從而在較大范圍（5.6–11.7）內(nèi)提高介電常數(shù)，稱之為“正壓介電效應(yīng)”。有趣的是，課題組發(fā)現(xiàn)了在被壓縮至大應(yīng)變時(shí)，由于液態(tài)金屬液滴的幾何變形，這種材料的介電常數(shù)卻出現(xiàn)降低現(xiàn)象，出現(xiàn)“負(fù)壓介電效應(yīng)”。該研究通過(guò)電磁理論和有限元模擬從理論上證實(shí)了該機(jī)理。基于液態(tài)金屬彈性體泡沫，展示了一種具有高靈敏度，高初始電容和較大電容變化的軟觸覺(jué)傳感器。此外，還展示了一種具有高轉(zhuǎn)換效率的遠(yuǎn)程無(wú)線無(wú)源壓力傳感器。
液體金屬?gòu)椥泽w的正壓介電效應(yīng)是由壓力改變泡沫形狀實(shí)現(xiàn)的。在未壓縮狀態(tài)液體金屬?gòu)椥泽w泡沫可看做是液體金屬?gòu)椥耘c空氣的混合材料，低介電常數(shù)的空氣極大的降低了混合材料整體的介電常數(shù)。當(dāng)泡沫被壓縮時(shí)，高介電常數(shù)的液體金屬?gòu)椥泽w會(huì)代替空氣，顯著提高泡沫整體的介電常數(shù)，呈現(xiàn)出正壓介電效應(yīng)。為了解釋機(jī)理，該研究還通過(guò)電磁理論、電介質(zhì)理論和有限元模擬來(lái)分析液體金屬提高介電常數(shù)的機(jī)理(圖3d-3i)。由于液體金屬液滴在低頻電場(chǎng)下是一個(gè)等勢(shì)體，微米級(jí)的液體金屬液滴會(huì)形成等勢(shì)層，顯著降低了電容極板之間的有效距離，增加了介電常數(shù)。
該研究通過(guò)壓縮液體金屬?gòu)椥泽w平板來(lái)研究負(fù)壓介電效應(yīng)。隨著壓力的增加，液體金屬?gòu)椥泽w的介電常數(shù)會(huì)略微升高，但隨著壓力的增加，介電常數(shù)會(huì)出現(xiàn)明顯的降低。這種壓電常數(shù)負(fù)增長(zhǎng)的現(xiàn)象在柔性電容器相關(guān)的文獻(xiàn)中似乎是還從未有提到過(guò)的。這種現(xiàn)象為制作在一些惡劣的環(huán)境下仍然能保持柔性電容器性能提供了可能性。也就是說(shuō)，由幾何變化引起的電容變化被此介電性質(zhì)所引起的變化所抵消。因此，在0.02-0.1 MPa的外加應(yīng)力造成的變形過(guò)程中，電容可以有效地趨于平穩(wěn)。
總結(jié)
綜上所述，該工作展示了一種超軟，可壓縮以及正負(fù)壓介電效應(yīng)的液體金屬?gòu)椥泽w泡沫。通過(guò)研究壓介電效應(yīng)的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)壓介電效應(yīng)是由于泡沫結(jié)構(gòu)和液體金屬液滴形變共同導(dǎo)致的。正壓介電效應(yīng)會(huì)增加電容傳感器因幾何形變導(dǎo)致的電容變化，而負(fù)壓介電效應(yīng)則提供了一種制作不會(huì)因變形而改變電容值的電容器。該工作還制備了基于液體金屬?gòu)椥泽w泡沫的電容式壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了大電容變化量，高靈敏度和高初始電容。該電容式壓力傳感器可用于測(cè)量人體的運(yùn)動(dòng)?；谝后w金屬?gòu)椥泽w泡沫的壓介電效應(yīng)，制備了一種遠(yuǎn)程無(wú)線無(wú)源壓力傳感器，可在3米外實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)。
該研究的第一作者為美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)楊嘉怡博士，合作者為西安電子科技大學(xué)李楊博士，太原理工大學(xué)張東光副教授。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202002611
