高靈敏度與寬線性范圍的不兼容性，仍然限制了有源傳感器的進(jìn)一步發(fā)展。

2024年12月6日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所陳翔宇研究員在國際頂級期刊Nature Communications發(fā)表題為《Triboelectric sensor with ultra-wide linear range based on water-containing elastomer and ion-rich interface》的研究論文，Siyao Qin為論文第一作者，陳翔宇研究員為論文通訊作者。

陳翔宇，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員，國家優(yōu)青。本科和碩士畢業(yè)于清華大學(xué)，獲得東京工業(yè)大學(xué)雙碩士學(xué)位, 2013年獲東京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位。2013年加入蘇州大學(xué)，直聘副教授。2013年以及2015年在東京工業(yè)大學(xué)擔(dān)任客座研究員。2014年調(diào)職到中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所。

陳翔宇研究員主要從事聚合物功能材料及納米能源器件的相關(guān)研究，包括聚合物電介質(zhì)材料的加工設(shè)計與電荷遷移機(jī)制研究、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與可穿戴傳感器、智能形變材料與器件、光催化自清潔材料等方向，以第一作者（共同一作）和通訊作者身份在Chem. Rev., Sci. Adv.、Nat Common、EES，Adv Mater、Materials Today等雜志發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文共60余篇。

在這里，研究人員報告了一種基于梯度微通道的含水摩擦電彈性體的摩擦電壓力傳感器。

在摩擦電彈性體中注入少量液體，通過壓力感應(yīng)水橋調(diào)節(jié)傳感器的內(nèi)置電場，提高了傳感器在壓縮極限附近的信號線性度。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)通過觸發(fā)選擇性離子轉(zhuǎn)移可以增強(qiáng)固-液接觸通電，而微通道中制備的富離子界面則提高了傳感器的靈敏度。

因此，該研究實現(xiàn)了超寬的線性范圍（5 kPa–1240 kPa）和0.023 V kPa^-1的靈敏度，這是迄今為止線性范圍最寬的有源傳感器。

該研究可以促進(jìn)摩擦電傳感器的實際應(yīng)用，并為其他傳感設(shè)備提供新的見解。

圖1：壓力傳感器的研究進(jìn)展及摩擦電壓力傳感器有源層的概念

圖2：GBM-IR PDMS薄膜及壓力傳感器的制備

圖3：紅外PDMS的表征

圖4：GBM-IR PDMS摩擦電傳感器的傳感性能

圖5：基于GBM-IR PDMS的摩擦電傳感器用于壓力映射和角度識別

綜上，這篇論文研究了一種基于含水彈性體和離子富集界面的摩擦電傳感器，該傳感器具有超寬的線性響應(yīng)范圍和高靈敏度。

這項研究解決了高靈敏度和寬線性范圍在主動傳感器中難以兼容的問題，為摩擦電傳感器的性能提升提供了新的方法。通過理論和實驗相結(jié)合的方法，研究者們不僅提高了傳感器的性能，還深入理解了液固接觸電氣化過程中的選擇性離子轉(zhuǎn)移機(jī)制，這對于電化學(xué)、表面催化等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義。

這種高性能的摩擦電壓力傳感器在智能機(jī)器人、智能醫(yī)療治療、電子皮膚等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其超寬的線性范圍和高靈敏度使得傳感器能夠適應(yīng)各種壓力檢測需求，提供更為精確和可靠的壓力反饋。

此外，該傳感器的設(shè)計概念和工作機(jī)制也可以啟發(fā)其他感官設(shè)備的設(shè)計，推動柔性電子和可穿戴技術(shù)的發(fā)展。

Qin, S., Yang, P., Liu, Z.?et al.?Triboelectric sensor with ultra-wide linear range based on water-containing elastomer and ion-rich interface.?