柔軟的電容式觸覺（壓力）傳感器在人機界面、柔軟的機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，但這些特性通常會相互沖突。
為了解決這一問題，美國北卡羅萊納州立大學Michael Dickey團隊制備了一種超柔軟，可壓縮，并且具有高介電常數(shù)的液態(tài)金屬彈性體泡沫。通過壓縮泡沫，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，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)“負壓介電效應(yīng)”。該研究通過電磁理論和有限元模擬從理論上證實了該機理。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傳感器。此外，還展示了一種具有高轉(zhuǎn)換效率的遠程無線無源壓力傳感器。
液體金屬彈性體的正壓介電效應(yīng)是由壓力改變泡沫形狀實現(xiàn)的。在未壓縮狀態(tài)液體金屬彈性體泡沫可看做是液體金屬彈性與空氣的混合材料，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)。當泡沫被壓縮時，高介電常數(shù)的液體金屬彈性體會代替空氣，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)。為了解釋機理，該研究還通過電磁理論、電介質(zhì)理論和有限元模擬來分析液體金屬提高介電常數(shù)的機理(圖3d-3i)。由于液體金屬液滴在低頻電場下是一個等勢體，微米級的液體金屬液滴會形成等勢層，顯著降低了電容極板之間的有效距離，增加了介電常數(shù)。
該研究通過壓縮液體金屬彈性體平板來研究負壓介電效應(yīng)。隨著壓力的增加，液體金屬彈性體的介電常數(shù)會略微升高，但隨著壓力的增加，介電常數(shù)會出現(xiàn)明顯的降低。這種壓電常數(shù)負增長的現(xiàn)象在柔性電容器相關(guān)的文獻中似乎是還從未有提到過的。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，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，可壓縮以及正負壓介電效應(yīng)的液體金屬彈性體泡沫。通過研究壓介電效應(yīng)的機理，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)會增加電容傳感器因幾何形變導(dǎo)致的電容變化，而負壓介電效應(yīng)則提供了一種制作不會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彈性體泡沫的電容式壓力傳感器，實現(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量人體的運動?；谝后w金屬彈性體泡沫的壓介電效應(yīng)，制備了一種遠程無線無源壓力傳感器，可在3米外實現(xiàn)壓力的檢測。
該研究的第一作者為美國北卡羅來納州立大學楊嘉怡博士，合作者為西安電子科技大學李楊博士，太原理工大學張東光副教授。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202002611
