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    四川大學鄧華教授團隊:低成本、可規模化方法制備高性能、多功能壓力傳感器
    2020-05-27  來源:高分子科技

      電阻型壓力傳感器由于精度高、監測范圍寬、信號處理和裝置結構簡單等優勢受到了學術界的廣泛關注。但是,傳統的壓力傳感器通常會在高壓力區域下導電通路過早的達到飽和,因此會表現出比較低的敏感性。另外,為了滿足傳感器小體積、輕量化和可穿戴的發展需求,多功能壓力傳感器的開發也十分必要。雖然目前也有一些關于多功能應變傳感器的報道,但是這些方法典型的需要將不同功能的傳感元件整合到屈曲的基板上,這導致傳感器的制備耗時、成本高、不易大規模推廣。


      針對目前壓力傳感器發展中的一些問題,鄧華教授團隊通過結合逾滲網絡-接觸電阻協同效應,并采用新穎的傳感器結構設計,實現了高性能、多功能壓力傳感器的制備。這種傳感器能夠在0-500 kPa的壓力范圍內實現1×106 kPa-1的超高敏感性。此外,通過設計傳感器的結構和控制導電填料的濃度,傳感器也實現了彎曲和溫度的監測能力。該研究成果以題為“Ultrasensitive Thin-Film Pressure Sensors with a Broad Dynamic Response Range and Excellent Versatility Toward Pressure, Vibration, Bending, and Temperature”的論文發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》。


    圖1. 壓力傳感器的制備流程和結構表征


      壓力傳感器主要由兩部分組成。首先是由彈性體熱塑性硫化硅橡膠(TPV)和導電金屬顆粒鎳(Ni)通過熔融共混后,經過兩步熱壓得到的敏感層。采用商業化的導電玻璃PET/ITO,在導電ITO層經過激光選擇性刻蝕得到電極層。熱壓法得到的表面微結構能夠在施加應力時集聚應力,從而在內部形成逾滲網絡的同時,提供更多的與電極之間的接觸面積。


    圖2. 壓力敏感及相關性能表征


      結合逾滲通路和接觸電阻的變化。在低壓力范圍內,敏感層與電極層的接觸面積迅速擴大,隨后在高應力區域達到飽和。與之相反,在低壓力區域由TPV/Ni復合材料薄膜構成的敏感層的逾滲電阻變化不大,而在高應力范圍內敏感層的導電通路快速建立。結合這兩種互補的變化趨勢,制備的傳感器在寬范圍內表現出超高的壓力敏感性。即使在高應力區間(20-500 kPa)敏感性有所降低,但是依然能夠保持3.1×104 kPa-1的高敏感性能,這種性能遠高于傳統壓力傳感器的敏感性。


    圖3. 震動和彎曲應變監測表征


      在施加壓力時,傳感器展現出< 5ms的響應和恢復時間,這使得傳感器能夠監測震動引起的瞬時壓力變化。另外,當傳感器發生彎曲時,其外層(敏感層)會產生彎曲誘導應變,該應變與樣品厚度和彎曲半徑有關,可由Euler-Bernoulli 公式計算。因此,當傳感器被彎曲到不同的曲率時,外層TPV/Ni薄膜由于應變下電阻發生變化,會導致壓力傳感器做出響應,以此實現彎曲監測能力。


    圖4. 壓力和溫度分布監測


      在文章最后,通過將大尺寸微結構化的TPV/Ni復合材料薄膜兩側印刷銅電極,作者制備了壓力和溫度分布監測陣列。通過測量在應力下每個像素點的電阻變化,傳感器實現了很好的壓力分布監測能力。由于敏感層中填料含量在逾滲范圍內,因此在升溫時由于基體體積膨脹會導致其電阻增加。這種現象使得傳感器能夠監測由于局部溫度變化導致的溫度差異,從而將溫度分布可視化。總之,文章通過低成本、可規模化的方法制備了高性能、多功能壓力傳感器,這可能在下一代可穿戴電子裝置中有潛在的應用價值。


      論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.0c05618

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