压力传感器在电子皮肤、机器人、穿戴电子设备等领域有着巨大的应用前景。传感器的灵敏度是其中最重要的指标之一。相比于圧阻、压电等传感器，电容式压力传感器结构简单、坚固耐用、环境适应性好，通常由两层电极和弹性介电材料的三明治结构组成（图1）。其中弹性介电材料的模量是决定器件灵敏度的关键因素，模量越低，形变越大，灵敏度就越高。近日，来自UCSB的Chabinyc和Bates团队采用基于刷状PDMS的轻度交联聚合物作为超柔软介电弹性材料，制备得到超高灵敏度的压力传感器，成果发表在Materials Horizons杂志。图1. 电容式压力传感器的结构示意图。本文使用轻度交联的刷状聚合物作为弹性介电材料。材料的合成方法非常简便。作者通过酯化反应将PDMS连接在降冰片烯二甲酰亚胺单体上，之后通过活性开环异位聚合直接得到不同长度的刷状聚合物。之后以二苯甲酮端基的PDMS作为交联剂，通过紫外光照射交联，得到弹性体（图2）。紫外交联的过程非常快，只需100s左右，材料G’即超过了G”（图3-a）。材料的机械性能可以通过刷状聚合物主链聚合度NBB以及交联剂的当量调控。而刷状聚合物的侧链PDMS聚合度NSC保持不变。主链越长，交联点间的长度越大，弹性体就越柔软，如图3-b。相比于Sylgard 184（一种常用的PDMS，由陶氏生产），所有的交联刷状聚合物的存储模量都要低1-2个数量级。此外，由刷状PDMS与ITO-PETA构成的传感器（图4-a）的透光性极好，雾度<1%（图4-b）。图3. （a）通过流变表征紫外辐照交联过程。PDMS2068-4表示刷状聚合物主链（聚降冰片烯）聚合度20，侧链（PDMS）聚合度68，交联剂分子数量为刷状聚合物分子数量的4倍。薄膜厚度越0.4mm。（b）不同主链长度、交联剂当量的刷状PDMS与Sylgard 184的流变曲线对比。图4. （a）压力传感器的结构；（b）传感器具有极好的透明度。相比于Sylgard 184，由刷状聚合物制作的传感器灵敏度极高（图5-a）。在低压强（<10 kPa，可用于触摸传感）与高压强（20-50 kPa，可用于脉搏检测）区域，最柔软的PDMS23568-12的灵敏度分别是Sylgard的22倍和53倍。在较大压强下，柔性最大的两个材料测试中未能完全复原，可能是由于发生了非常缓慢的驰豫。PDMS23568-12在稳定性测试中也发生了一些基线漂移，而PDMS9968-12的稳定性非常好（图5-b）。图5. 压力传感器的测试曲线（a）以及中等压强下（1-21 kPa）的稳定性测试（b）。在低至250 Pa的超低压强下，刷状PDMS反应依然灵敏，如图6所示。
本文作者制备了刷状PDMS并进行轻度低交联，得到的弹性体模量大幅低于线性PDMS，充分体现了聚合物分子链结构对于材料性能的重大影响。由刷状PDMS制备的电容式压力传感器灵敏度远远高于线性PDMS制备的器件。---完---
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