基于PVDF的多功能触觉传感平台：优异的触觉分辨率和力传感能力
2025-09-27 16:23:15 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
摩擦电传感器以其超高灵敏度和宽范围的触觉力 压力检测能力而闻名，同时还具备自供电特性。然而，与其它先进的微型发电机相比，摩擦纳米发电机（TENG）的能量收集效率通常受到相对较低的输出功率密度的限制。据麦
摩擦电传感器以其超高灵敏度和宽范围的触觉力/压力检测能力而闻名，同时还具备自供电特性。然而，与其它先进的微型发电机相比，摩擦纳米发电机（TENG）的能量收集效率通常受到相对较低的输出功率密度的限制。
据麦姆斯咨询报道，为了应对这一挑战，并在保持优异的触觉分辨率的同时实现高力/压力检测，德国德累斯顿莱布尼兹聚合物研究所开发了一种混合纳米发电机，该发电机在铁电聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物基体中，同时集成了摩擦电与压电组件。为提升触觉灵敏度，研究人员引入了转移印刷-旋涂耦合技术，可将具有可调周期和振幅的褶皱硅胶结构直接印刷到PVDF上。值得注意的是，这种压印铁电-摩擦纳米发电机（FE-TENG）甚至可以检测到极微弱的触觉力（< 2 N），而混合机制确保了宽泛的力传感范围，在饱和之前可扩展到100 N。这种优异的性能使基于PVDF的压印FE-TENG成为一种多功能触觉传感平台，适用于一系列前沿应用，特别是电子皮肤和下一代微电子领域。相关研究成果以“Transfer-Printed Wrinkled PVDF-Based Tactile Sensor-Nanogenerator Bundle for Hybrid Piezoelectric-Triboelectric Potential Generation”为题发表在Small期刊上。
在这项工作中，研究人员采用了“表面起皱法”制备超高灵敏度压印PVDF。基于起皱的表面结构化技术，与传统的自上而下的光刻方法相比具有显著优势，包括降低制造复杂性、成本效益高及可扩展性强。选择聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为模板材料，因其能良好兼容受控氢气等离子体和紫外/臭氧表面处理工艺。这些处理工艺能够对起皱关键参数（包括波长、振幅及形状）进行精细调控，从而获得清晰且优化的褶皱结构。这些结构化表面随后作为可重复使用的模板，用于旋涂溶解于99.5% N,N-二甲基甲酰胺（DMF）的PVDF均质溶液。下图示意性地展示了详细的旋涂过程，重点呈现了压印PVDF的形成。
褶皱PVDF表面的制造、结构复制和形态表征
研究人员验证了该制备工艺的有效性，以及压印PVDF薄膜在更广周期范围内的摩擦电性能。所选取的几何形状经过专门设计，旨在优化电荷分布与电荷密度，从而提升摩擦电性能。通过组合这些几何形状，研究人员构建出了能够感知多种物理输入（例如压力、弯曲、接近）的传感器。尽管制备过程中产生的缺陷或局部曲率的变化会带来挑战，但这种混合设计显示出鲁棒性、可扩展性和自适应传感器技术的前景。
压印PVDF纳米发电机的原理图及性能分析
该传感器的压力/力灵敏度主要来源于压电-摩擦电耦合的混合机电现象。开路电压形式的电信号，是由内部耦合的摩擦电输出与PVDF基底（平面基底）本身的压电效应共同作用产生的。利用PVDF铁电β相的褶皱PVDF基摩擦纳米发电机（记为FE-TENG_5），其混合输出电压相较于原始FE-TENG显著提升约200%。具有5 µm周期结构的FE-TENG实现了最高功率密度（0.9 mW/cm²）。值得注意的是，压印FE-TENG可检测极微弱触觉力（<2 N），同时混合机制确保了宽的力传感范围，在达到饱和前可扩展至100 N。
压印PVDF传感器的频率相关电气性能和稳定性
为了证明FE-TENG_5优异的触觉与力传感能力，研究人员探究了各种可穿戴和力/压力应用。研究人员制作了一种混合FE-TENG传感器，用于检测和校准重物下落和手指敲击相互作用产生的力，展示了其在各种力传感应用中的精确性和多功能性。研究结果表明，基于起皱的压印PVDF摩擦电纳米发电机能有效采集人体活动产生的机械能。这标志着该技术在微型可穿戴设备中具有应用潜力，可为微型可穿戴电子设备提供高灵敏度的传感器。
压印PVDF传感器的超灵敏触觉传感性能
总而言之，研究人员通过无光刻制造工艺，开发出一种基于PVDF的新型褶皱铁电-摩擦纳米发电机（FE-TENG），并将其与模块化触觉传感器集成。通过将表面起皱技术与旋涂方法相结合，这种具备可扩展性与可重复性的制备方法，能够在PVDF基底上构建微结构表面，同时保证褶皱结构的完整性。基于PDMS的褶皱诱导技术为传统自上而下图案化方法提供了一种低成本、高能效的替代方案。
本文所提出的方法促进了高性能FE-TENG器件的制造，实现了比原始PVDF基底高大约200%的混合电输出。在最小褶皱周期（≈5 µm）下获得了0.9 mW/cm²的最大功率密度，凸显了微结构几何形状对器件效率的关键作用。相反，由于摩擦接触密度降低，增加的周期导致输出减少。值得注意的是，该混合器件表现出卓越的力传感能力，能够检测低至2 N的力，从而使其成为触觉传感应用非常有前途的候选。这些高灵敏度微结构混合传感器集卓越的性能、易于集成和固有的自供电操作于一体，符合为动态机械监控应用而设计的多功能TENG传感器的最新发展。它们优异的触觉分辨率和力传感能力突出了它们在各种应用中的潜力，包括医疗数据收集、机器人系统和人工智能（AI）。
据研究人员所知，这是利用可编程起皱生产高性能微结构FE-TENG的高效、无光刻策略的首次演示。协同混合机制增强了循环接触分离运动下的电输出，从而能够有效地收集环境机械能。这项工作为未来先进触觉传感器的发展奠定了坚实的基础，特别是在需要精确力检测和高分辨率触觉传感的应用中。除了传统领域，PVDF固有的生物相容性为组织工程和其它生物集成技术提供了令人兴奋的机会。褶皱PVDF微结构可以进一步改善生物环境中的细胞粘附、机械相容性和传感接口，为生物集成传感和驱动的创新应用铺平道路。
论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202502767延伸阅读：
上一篇：基于超薄单晶硅的全向应变计，实现可植入和可穿戴生物力学表征平台
下一篇：经济型可拉伸柔性压力传感器，实现高精度连续力监测和力映射