具有增强灵敏度与耐温性的聚酰亚胺气凝胶基电容式压力传感器

程敏涵，袁逸飞，李千阳，陈传亮，陈洁，田可，张茂，傅强，邓华^*

智能电子电力系统的发展需要先进的柔性压力传感器，其中电容式压力传感器因其低功耗、结构简单、稳定性高等优点而受到广泛关注。尽管在介电层表面构建微结构能够提高可压缩性并加速电信号传导，然而这些微结构在高压下完全变形会导致传感器的灵敏度不可避免地下降。另一种选择是将低模量的聚合物弹性体构筑为三维多孔结构，但由于大多数聚合物的介电常数较低且耐温性不足，传统的电容式压力传感器面临限制。在此，我们构建了具有机械稳固性、耐温隔热以及压缩下介电常数显著变化的取向聚酰亚胺基复合气凝胶。通过表面改性介电纳米颗粒与气凝胶骨架以及氧化石墨烯片层的相互作用，复合气凝胶整体的机械性能与介电常数有所提升，且垂直取向的结构赋予了其轴向上的坚固性与径向上的弹性。在此基础上组装出高性能电容式压力传感器，凭借着压力作用下低介电常数空气的排出与高介电常数气凝胶骨架的堆积作用，介电层厚度的减小与介电常数的升高协同提升了平行板电容的相对变化值，进一步提升了传感器的灵敏度。该传感器在0-200 kPa 的宽工作范围内的灵敏度最高可以达到1.41 kPa^-1，并且表现出百毫秒级别的响应与恢复时间。同时，由于复合气凝胶具有优异的耐温与隔热性，传感器可以在150°C的高温环境中稳定工作（2000次压缩/释放循环）。此外，基于聚酰亚胺基气凝胶的传感器展示出接近感应能力，在非接触式传感以及极端环境下应力检测方面显示出巨大的应用潜力。

图1 聚酰亚胺基复合气凝胶的制备流程示意图与实物图

图2 聚酰亚胺基复合气凝胶的微观形貌与结构表征

图3 聚酰亚胺基复合气凝胶的力学性能与隔热性能

图4 聚酰亚胺基复合气凝胶在压力下的介电性能变化

图5 由聚酰亚胺基复合气凝胶组装的电容式压力传感器的基础传感性能

图6 电容式压力传感器的接近感应能力与极端环境中的工作稳定性

相关成果以“Polyimide aerogel-based capacitive pressure sensor with enhanced sensitivity and temperature resistance”为题发表在Journal of Materials Science & Technology上。文章第一作者是四川大学高分子科学与工程学院硕士研究生程敏涵，通讯作者为四川大学高分子科学与工程学院邓华教授。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.08.015