西南交大杨维清团队《ACS Nano》:受玫瑰花瓣启示,开发出兼具高灵敏度和宽压力检测范围的柔性传感器

2021-06-17 20:05:09 高分子科学前沿

具有出色力-电转换能力的灵活、可穿戴压力传感器在个人医疗保健监控、人机交互、智能机器人和运动检测等领域有着广泛的应用前景。与压阻式、压电电容式、压电式、和摩擦式传感器相比,压阻式传感器因其结构简单、成本效益高和易于制造而得到了广泛的发展。尽管在压阻传感器的灵敏度、检测极限、灵活性和稳定性方面已经取得了相当大的进步,但是仍然非常希望同时实现高灵敏度和宽线性检测范围

玫瑰花瓣微结构的启发,西南交通大学材料科学与工程学院杨维清等报道了一种兼具有高灵敏度和宽压力检测范围的柔性压阻式压力传感器。得益于夹在分级聚苯胺/聚偏氟乙烯纳米纤维(HPPNF)膜之间的互锁微体结构,这种生物电子器件呈现出优异的机械柔性和电性能,具有53 kPa−1的超高灵敏度、58.4至960 Pa的压力检测范围、38ms的快速响应时间以及超过50,000次循环的出色循环稳定性。相关工作以题为《Hierarchically Microstructure-Bioinspired Flexible Piezoresistive Bioelectronics》于近期发表在 ACS Nano上, 制成的传感器成功地检测到来自人体的生理和运动信号,具有重要的开发前景。

文章亮点:

1.HPPNF膜制备—首先将随机取向的聚偏氟乙烯纳米纤维静电纺丝作为核壳聚偏氟乙烯/聚苯胺纳米纤维网络的框架。随后,采用远程氩氧等离子体修饰策略来改善所得纳米纤维的亲水性。这些大大改进的亲水性聚偏氟乙烯纳米纤维可以完全浸入水溶液中,聚苯胺纳米线可以原位氧化聚合聚偏氟乙烯纳米纤维的表面。

基于PVDF/PANI纳米纤维的柔性可穿戴压力传感器的制备工艺、机理和光学成像

2. 通过长期的自然选择,分层的微观结构已经从自然的机械适应中发展出来,具有微体结构的分层图案化PDMS膜是通过模仿玫瑰花瓣的结构制造的。首先,作为牺牲层,从玫瑰花瓣的表面复制反向微结构的聚乙烯醇膜。制备的聚乙烯醇薄膜显示出均匀的蜂窝状孔。在PDMS薄膜上压印出反向结构后,成功获得花瓣的微结构。金电极被溅射到微图案化的PDMS膜层的表面上。两个生物传感微结构电极夹在纳米纤维膜之间,以构建分级结构的压阻传感器。受益于大量的导电路径和变形放大效应,所设计的压阻传感器显示出优异的电性能。

分级PVDF/PANI纳米纤维和分级图案化PDMS薄膜的表征

3. 为了阐明所设计的多尺度柔性压力传感器的传感机理,构建了传感器的几何模型。使用抽象的球-棒模型通过有限元方法(FEM)分析来探索应力和应变分布。与平面结构相比,微体结构电极可以极大地扩大聚苯胺纳米纤维的倍增应变接触面积,具有优异的柔韧性。当器件受压时,接触面积显著扩大的微体结构电极将显著降低电阻。压力释放后,电阻将迅速恢复到其初始状态,这种压阻效应与有限元分析结果非常一致。

柔性压力传感器的传感机制

4. 基于优异的电性能,这种灵活的传感器可以成功地监测微妙的信号和身体运动,显示出快速,实时,非侵入性的人体健康评估的潜在应用。由于传感器和人体表皮之间的共形接触,手腕脉搏、呼吸、喉咙振动以及手指、肌肉、脊柱和步态运动信号的生理信号以清晰的电流曲线的形式被有效地检测到。

利用研制的柔性传感器监测人体生理信号和运动

全文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c01606

来源:高分子科学前沿

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