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国家纳米科学中心Small:具有多尺度分级结构的高灵敏、大线性范围柔性压力传感器

柔性压力传感器因其在健康监测及人机交互等领域的潜在应用受到越来越多的关注。根据其工作机制不同,压力传感器可分为压阻式、压电式、电容式及基于摩擦电子的传感器。其中,压阻式压力传感器因其器件结构简单、灵敏度高和信号处理简便等优势而被广泛研究。压阻式压力传感器一般是由两个在弹性体基底上的电极面对面组装而成,在不同压力下,两个电极的接触面积不同,从而流经两个电极的电流不同。根据流经两个电极的电流变化实现器件对不同压力的灵敏响应。

工作的线性范围是衡量压力传感器性能的重要参数。而对于传统的压力传感器,在较低压力下上下电极接触快速饱和,当压力进一步增加时,接触面积增加缓慢,灵敏度降低,偏离原来的线性。目前,压阻式压力传感器的线性工作区间一般均小于3 kPa,远小于人类的手握物体,手指按压,跑步等产生的压力(大于10 kPa)。若实现这些压力的检测,需要额外的计算模块,为压力传感器的设计及可穿戴性能带来不便。因此,开发大线性范围的压阻式压力传感器显得尤为重要。

通过在基底上引入多级次结构,例如通过选择性刻蚀铜基底,并利用化学气相沉积法生长石墨烯制备的PDMS/石墨烯微柱传感器可以得到0-12 kPa的线性范围。通过设计呈高斯分布的模板制备的压力传感器线性范围为0-14 kPa。然而,这些传感器制备方法复杂,成本高,不适合批量化制备。

 

【成果简介】

近日,国家纳米科学中心方英研究员和李红变副研究员(通讯作者)在国际期刊Small上成果发表“Multiscale Hierarchical Design of a Flexible Piezoresistive Pressure Sensor with High Sensitivity and Wide Linearity Range” 的论文。第一作者是博士生史济东。他们提出了一种简便的低成本制备大线性范围压阻式压力传感器的方法。利用表面具有多级次分级结构的荷叶作为模板制备了表面具有大量分级结构微米柱的PDMS基底。进一步在其表面喷涂石墨烯,石墨烯纳米片的堆叠褶皱进一步引入分级结构,从而制备了具有多级次分级结构的柔性压力传感器。

国家纳米科学中心Small:具有多尺度分级结构的高灵敏、大线性范围柔性压力传感器图1 以荷叶为模板制备压力传感器。(a) 荷叶表面的扫描电镜图片;(b)以荷叶为模板制备压力传感器的过程示意图;(c)所制备的压力传感器电极表面的扫面电镜图片; (d)单根分级结构微米柱的扫描电镜图片; (e) 所制备的压力传感器电极表面的激光高度图。

 

国家纳米科学中心Small:具有多尺度分级结构的高灵敏、大线性范围柔性压力传感器

图2 (a, b)压力传感器对不同压力的电学响应;(c) 器件的电学响应随压力的变化;(d, e)器件循环1000次的稳定响应;(f) 不同初始电阻的器件对压力的响应对照。

国家纳米科学中心Small:具有多尺度分级结构的高灵敏、大线性范围柔性压力传感器

图3 (a) 具有光滑表面的电极接触示意图;(b)具有分级结构的电极接触示意图; (c) 光滑表面的电极接触随压力变化图;(d) 具有分级结构的电极接触随压力变化图。

国家纳米科学中心Small:具有多尺度分级结构的高灵敏、大线性范围柔性压力传感器

图4 (a-c)压力传感器对脉搏跳动信号的检测;(d-e) 脉搏对声音振动信号的检测。

国家纳米科学中心Small:具有多尺度分级结构的高灵敏、大线性范围柔性压力传感器

 图5. (a)集成的压力传感器阵列;(b) 传感器阵列对不同形状物体压力分布的检测;(c) 传感器阵列对运动轨迹的追踪。

 

所制备的压力传感器对不同的压力均有灵敏快速稳定的响应,其线性工作区间高达0-25 kPa。而且,该器件具有较高的灵敏度,为1.2 kPa-1,且其最低检测限低至5 Pa。此外,该器件还具有非常好的稳定性,循环使用1000次后器件性能没有发生明显变化。有限元分析表明,该器件的多尺度分级结构设计保证了器件在大范围压力作用下上下电极接触面积快速增加,因而实现了器件的大线性工作范围。

随后,进一步利用该压力传感器实现了对小的压力变化,如脉搏跳动,声音振动等的灵敏监测。而且,还实现了传感器对大的压力变化,如手指按压等的监测,并将压力传感器连接LED灯泡实现了压力可视化监测。最后,还将该器件进行了集成,实现了对压在器件阵列表面物体形状的判断和对运动轨迹的追踪和还原。为器件在健康监测和电子皮肤等领域的应用奠定了基础。

 

Jidong Shi, Liu Wang, Zhaohe Dai, Lingyu Zhao, Mingde Du, Hongbian Li, Ying Fang, Multiscale Hierarchical Design of a Flexible Piezoresistive Pressure Sensor with High Sensitivity and Wide Linearity Range, Small, DOI:10.1002/smll.201800819.

国家纳米科学中心方英研究员课题组主要从事功能性柔性电子器件的开发和其在生物、医学等领域的应用,包括可穿戴电子器件,柔性神经电极等。在可穿戴电子器件领域,他们首次通过在碳纳米管网络中引入石墨烯进行结构增强,获得了对应变单调线性的电学响应(Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 2078)。此外,还通过石墨烯焊接垂直搭接的碳纳米管阵列,进一步提高了碳纳米管-石墨烯体系应变传感的灵敏度 (Carbon, 2017, 123, 786)。

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