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    澳門大學周冰樸助理教授課題組:基于雙層導電和多孔微穹頂陣列協同作用的柔性壓力傳感器靈敏度和線性范圍同步優化
    2020-06-30  來源:高分子科技

      近年來,隨著對人體健康檢測的需求越來越高,柔性可穿戴電子皮膚已逐漸引起人們的關注。通過物理接觸輸出電信號以識別觸感信息的壓力傳感器,已在如脈搏、呼吸、聲音、肢體動作等的生理信號的實時監測方面展示出了極大潛力。壓阻式壓力傳感器因具有結構簡單、信號采集簡易、動態響應迅速等優勢而廣受青睞。壓力傳感器的核心傳感性能是其靈敏度和線性度:高靈敏度可使傳感器件具有高信號比,以實現微小壓力變化的精確檢測;而高線性度可提高檢測的可靠性、維持靈敏度不隨壓力增加而衰減以及降低信號處理的復雜程度。同步優化壓力傳感器的靈敏度和線性度對于提高其實用價值具有十分重要的意義。目前,已有大量研究致力于提高壓阻式壓力傳感器的傳感性能,如引入表面微結構、設計導電多孔彈性體等。然而,這些傳統的優化方式主要依賴于調節導電組分間接觸電阻(即接觸面積)的變化,難以在高靈敏度和寬線性范圍之間達到平衡。因此,實現壓力傳感器高靈敏度和寬線性范圍的同步優化仍然是一個很大的挑戰。



      為同步優化壓阻式壓力傳感器的靈敏度和線性度,本文在前期研究(ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 28060–28071)基礎上,首次提出了一種基于碳黑/聚二甲基硅氧烷(CPDMS)聚合物導電層與銀納米線(AgNW)薄膜雙層導電的協同作用,實現壓阻式壓力傳感器靈敏度與線性范圍同步優化的方法。CPDMS/AgNW雙導電層通過先旋涂AgNW溶液再噴涂CPDMS膠體至彈性基體進行固化而制備,可使AgNW薄膜被緊密夾在CPDMS導電聚合物和PDMS基體之間形成三明治結構(圖1b)。一方面,CPDMS導電聚合物層與AgNW薄膜層的并聯作用使CPDMS/AgNW雙導電層具有可比肩AgNW薄膜的優異導電性;另一方面,CPDMS導電聚合物與彈性基體的保護避免了AgNW導電網絡在變形中被破壞,使CPDMS/AgNW雙導電層在膠帶粘附、彎曲、拉伸測試中均表現出優異的導電和機械穩定性。


    圖1. a)高性能電阻式壓力傳感器的鎖扣形組裝方式及工作示意圖。b)多孔結構及雙導電材料層的SEM圖片。c)CPDMS/AgNW雙導電層的彎曲穩定性對比。


      為了研究CPDMS/AgNW雙導電層的工作機理,他們首先選擇實心的PDMS微穹頂陣列(SDA)作為彈性基體,對比不同導電層對傳感性能的影響。研究發現,單導電層的傳感器件僅在0-100 Pa的微小壓力范圍內表現出較高的靈敏度,而CPDMS/AgNW 雙導電層的協同作用可使傳感器的線性范圍顯著提升至0-6 kPa,同時表現出高達3788.29 kPa-1的超高靈敏度(圖2)。這是因為單導電層傳感器在壓力作用下的電阻變化較為單一,主要受其接觸電阻(接觸面積)的影響。一方面,單導電層有限的電阻相對變化限制了傳感器的靈敏度;另一方面,SDA結構在壓力作用下的接觸面積呈非線性變化,導致其線性范圍也非常有限。而對于CPDMS/AgNW 雙導電層傳感器,其在壓力作用下的電阻變化除了受接觸電阻的影響,還受到接觸位置CPDMS層穿透電阻的影響。未加載壓力時,SDA結構較小的接觸面積和CPDMS層較差的導電性使CPDMS/AgNW 雙導電層傳感器具有較大的初始接觸電阻和穿透電阻,電子因此難以穿過接觸位置的CPDMS層到達AgNW薄膜。隨著壓力的增加,接觸面積增大,CPDMS層也被壓縮而厚度減小,接觸電阻和穿透電阻因此降低,使得越來越多的電子可以穿透CPDMS層到達AgNW薄膜,從而使電阻的變化范圍擴大,提升了傳感器的靈敏度。此外,接觸位置CPDMS層穿透電阻的協同變化,也一定程度上平衡了接觸電阻的非線性變化,使CPDMS/AgNW雙導電層傳感器的線性范圍明顯提升。值得注意的是,CPDMS/AgNW雙導電層傳感器線性范圍的提升得益于接觸位置CPDMS層穿透電阻的協同變化,因此僅改變AgNW薄膜而不改變CPDMS層以及彈性體結構,可有效改變傳感器的靈敏度而不影響其線性范圍。


    圖2. a-c) 不同導電層對器件傳感性能的影響。d-e)單導電層以及CPDMS/AgNW雙導電層的工作機制對比。


      為進一步提高傳感器的線性范圍,同時維持其高靈敏度,他們選擇固定CPDMS/AgNW雙導電層,并引入具有更高可壓縮性的多孔結構構成多孔微穹頂陣列(PDA)。彈性基體變形能力的提升,使得接觸位置CPDMS層在同樣壓力下的壓縮程度變小(圖3)。換言之,需要更大的壓力才能使AgNW薄膜上層的CPDMS達到最大壓縮程度,進而使其穿透電阻的協同作用得以延緩,線性范圍也因此得以進一步提升。研究表明,CPDMS/AgNW雙導電層傳感器的線性范圍隨彈性基體可壓縮性的增加而提升。基于最大孔徑為200 m的鎖扣型PDA結構,CPDMS/AgNW雙導電層傳感器的線性范圍可提升至0-70 kPa,同時維持924.37 kPa-1的超高靈敏度。對于壓阻式壓力傳感器,這樣的優化程度在過去的研究中鮮有報道。他們也系統證明了基于該方法優化的壓力傳感器具有良好的可重復性、穩定性、無信號遲滯、快速響應等性能。


    圖3. a)SDA和PDA的可壓縮性數值模擬對比。b-d)CPDMS/AgNW雙導電層以及PDA結構協同優化的機理(b)和傳感性能(c-d)。


      最后,他們將優化后的傳感器件應用于全方位的人體生理信號的檢測。得益于其高靈敏度和寬線性范圍的平衡,該傳感器在低壓范圍成功檢測出具有不同音節的詞句的聲音震動以及脈搏信號,表現出精準識別語言和人體健康監測的潛力;在中壓范圍成功識別出不同程度的肌肉擴張、敲擊以及屈膝動作,表現出在肌肉以及關節健康狀態監測方面的潛力;在高壓范圍實現了站立、行走以及跑動的動作記錄和分解,表現出在人體行為捕捉以及平衡能力評估方面的潛力。基于顯著提升的傳感器性能和全方位的應用潛力,相信通過CPDMS/AgNW雙層導電和PDA結構的協同作用同步優化靈敏度和線性度的方法,對于壓阻式壓力傳感器的發展以及柔性可穿戴電子皮膚的應用具有一定的指導意義。


    圖4. 聲音震動(a)、脈搏(b)、肌肉擴張(c)、敲擊(d)、屈膝(e)、站立(f)、行走(g)以及跑動狀態(h)的監測。


      該工作受到了澳門科學技術發展基金(FDCT-0037/2018/A1)、澳門大學研究服務及知識轉移辦公室(MYRG2017-00089-FST,MYRG2018-00063-IAPME)的經費支持,同時也受到國家自然科學基金(Grant No. 11674210)的部分支持。相關成果發表于ACS Applied Materials & Interfaces,文章的第一作者為澳門大學應用物理及材料工程研究院博士生冀冰,通訊作者為周冰樸助理教授


      原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.0c08910

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