综述：基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器研究进展
2025-09-27 12:46:57 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

本文系统梳理了基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器研究进展，主要介绍了这类传感器的性能指标与传感机制，阐述了多孔结构的制备方法以及压力传感器制备所用的导电填料与柔性基底，分析了当前的应用进展及面临的挑战，并对未来研究方向进行了展望。

随着可穿戴设备、智能人机交互技术的快速迭代，高精度压力传感器的市场需求持续攀升。压阻式压力传感器因其结构简单、成本低廉、灵敏度高等显著优势而备受青睐。其中，基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器凭借独特的三维多孔结构与优异性能，已成为当前传感器领域的研究热点。

据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，中山大学、香港理工大学的研究团队近期在Polymers期刊上发表了题为“Recent Advances in Porous Polymer-Based Flexible Piezoresistive Pressure Sensors”的综述文章，系统梳理了基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器研究进展，主要介绍了这类传感器的性能指标与传感机制，阐述了多孔结构的制备方法以及压力传感器制备所用的导电填料与柔性基底，分析了当前的应用进展及面临的挑战，并对未来研究方向进行了展望。

基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器

图1 基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器

基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器优势

与电容式、压电式及摩擦电式压力传感器相比，压阻式压力传感器具有多项优势：在较宽压力范围内具备高灵敏度，线性度与稳定性优异，并且输出信号易于处理与校准。此外，压阻式传感器响应速度快，能够快速检测压力变化，满足实时监测需求。

压阻式、电容式、压电式、摩擦电式压力传感器的传感机制

图2 压阻式、电容式、压电式、摩擦电式压力传感器的传感机制

在各种类型的柔性压阻式压力传感器中，基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器尤为突出。多孔聚合物独特的三维多孔结构赋予压力传感器一系列优异性能：一方面，多孔结构具有较大的比表面积，不仅能增大与外界环境的接触面积，提升传感器对物理刺激的检测能力，还能促进导电填料的分散，进而助力形成稳定的导电网络；另一方面，多孔结构使聚合物具备良好的柔韧性与可压缩性。当受到外力作用时，孔隙会发生可逆形变，进而导致电阻变化，从而实现对压力与应变的精准测量。

压阻式传感器的性能指标与物理机制

基于目前已报道的研究成果，基于多孔聚合物的柔性压阻式传感器的性能主要通过五项指标衡量：灵敏度、线性度、响应/恢复时间、长期稳定性、检测限。

多孔聚合物复合材料的压阻响应体现在三个互补层面：首先，由填料浓度决定的静态渗流体系，会影响连续导电网络的形成与否，以及工作点相对于渗流阈值的位置；其次，在机械载荷作用下，动态渗流（连接-断开）过程会重构导电网络，调节导电路径的数量与几何形态；最后，在纳米尺度下，量子隧穿效应主导电子在残余间隙中的传输，尤其当填料接触达到饱和或局部间距接近亚纳米级别时，该效应更为显著。

多孔聚合物复合材料的压阻响应机制

图3 多孔聚合物复合材料的压阻响应机制

多孔结构的制备工艺

多孔结构的常见制备方法主要包括：（1）相分离法（包括非溶剂诱导相分离、聚合诱导相分离、聚合物共混相分离、溶剂蒸发诱导相分离、热诱导相分离）；（2）3D打印法（包括直接墨水书写、熔融沉积成型法）；（3）静电纺丝法（通过静电作用制备多孔纤维结构）；（4）牺牲模板法（借助模板构建多孔形态，后续去除模板得到目标结构）。

多孔结构的常见制备方法

图4 多孔结构的常见制备方法

柔性基底与导电填料

基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器主要由柔性基底与导电填料构成。通过常规加工工艺易形成多孔结构的常见高分子基底材料包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）、聚酰亚胺（PI）及纤维素等；常见导电填料包括碳基导电材料、高分子导电材料、金属导电材料与MXene材料。柔性基底通常起承载作用，而导电填料不仅能赋予复合材料导电性，还可改善柔性基底的力学性能，提升压力传感器的响应灵敏度。

基于多孔硅酮材料的柔性压阻式压力传感器

图5 基于多孔硅酮材料的柔性压阻式压力传感器

基于多孔聚氨酯（PU）的柔性压阻式压力传感器

图6 基于多孔聚氨酯（PU）的柔性压阻式压力传感器

基于多孔聚酰亚胺（PI）的柔性压阻式压力传感器

图7 基于多孔聚酰亚胺（PI）的柔性压阻式压力传感器

基于多孔天然聚合物的柔性压阻式压力传感器

图8 基于多孔天然聚合物的柔性压阻式压力传感器

基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器应用

近年来，柔性压力传感器发展迅速，已在多个领域展现出巨大应用潜力。作为柔性压力传感器的重要分支，基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器凭借其优异的性能，在触觉感知、生物医学监测、人机交互等领域展现出广阔应用前景。

基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器应用

图9 基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器应用

总结与展望

当前，基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器的发展仍面临诸多挑战，为了提升传感器的长期界面稳定性与机械韧性，需重点从界面工程与先进材料设计方面进行突破：通过导电填料表面功能化、添加相容剂、引入动态共价键或超分子相互作用等策略，增强填料与基底的结合力，同时实现反复形变过程中的应力消散；通过引入自修复聚合物、双网络结构及梯度/多层结构，可有效抑制裂纹扩展与机械疲劳，延长传感器使用寿命。此外，将高性能合成聚合物与可生物降解或仿生组分结合的杂化材料，在兼顾耐久性与可持续性方面潜力巨大。这些创新有望确保多孔压阻式传感器在复杂苛刻环境下实现可靠的长期工作。

展望未来，基于多孔聚合物的柔性压阻式压力传感器的重点发展方向包括以下几方面：

（1）开发新型多孔材料，探索多材料复合的潜力，优化导电填料与基底的复合工艺；加强关注基底材料对环境的影响（量化生物降解性与生命周期评估），为下一代传感器的可持续发展提供指导。

（2）推进低成本、可规模化的制备技术研发，推动基础研究成果向实际应用转化。

（3）重点开发在极端工况下仍能保持灵敏度较为稳定的复合材料；建立标准化测试规程与基准，系统评估传感器的疲劳性能与失效模式，保障传感器可靠性。

（4）利用层级结构、异质复合材料或混合传感机制，在单一传感平台中集成压力、应变、温度、湿度等多模态检测能力，实现对多种刺激的同时解耦检测，拓宽在机器人、智能医疗、结构监测等领域的应用。

（5）依托机器学习算法、柔性/微型电子系统集成等新兴技术，提升信号保真度与集成度，降低噪声、提高数据准确性、实现实时智能分析，助力传感器与可穿戴设备、工业监测平台等无缝对接，加速实用化进程。

论文信息：https://doi.org/10.3390/polym17192584

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