一種簡(jiǎn)便的低成本制備大線(xiàn)性范圍壓阻式壓力傳感器的方法
一種簡(jiǎn)便的低成本制備大線(xiàn)性范圍壓阻式壓力傳感器的方法
柔性壓力傳感器因其在健康監(jiān)測(cè)及人機(jī)交互等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注。根據(jù)其工作機(jī)制不同，壓力傳感器可分為壓阻式、壓電式、電容式及基于摩擦電子的傳感器。其中，壓阻式壓力傳感器因其器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高和信號(hào)處理簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)而被廣泛研究。壓阻式壓力傳感器一般是由兩個(gè)在彈性體基底上的電極面對(duì)面組裝而成，在不同壓力下，兩個(gè)電極的接觸面積不同，從而流經(jīng)兩個(gè)電極的電流不同。根據(jù)流經(jīng)兩個(gè)電極的電流變化實(shí)現(xiàn)器件對(duì)不同壓力的靈敏響應(yīng)。
工作的線(xiàn)性范圍是衡量壓力傳感器性能的重要參數(shù)。而對(duì)于傳統(tǒng)的壓力傳感器，在較低壓力下上下電極接觸快速飽和，當(dāng)壓力進(jìn)一步增加時(shí)，接觸面積增加緩慢，靈敏度降低，偏離原來(lái)的線(xiàn)性。目前，壓阻式壓力傳感器的線(xiàn)性工作區(qū)間一般均小于3 kPa，遠(yuǎn)小于人類(lèi)的手握物體，手指按壓，跑步等產(chǎn)生的壓力（大于10 kPa）。若實(shí)現(xiàn)這些壓力的檢測(cè)，需要額外的計(jì)算模塊，為壓力傳感器的設(shè)計(jì)及可穿戴性能帶來(lái)不便。因此，開(kāi)發(fā)大線(xiàn)性范圍的壓阻式壓力傳感器顯得尤為重要。
通過(guò)在基底上引入多級(jí)次結(jié)構(gòu)，例如通過(guò)選擇性刻蝕銅基底，并利用化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)石墨烯制備的PDMS/石墨烯微柱傳感器可以得到0-12 kPa的線(xiàn)性范圍。通過(guò)設(shè)計(jì)呈高斯分布的模板制備的壓力傳感器線(xiàn)性范圍為0-14 kPa。然而，這些傳感器制備方法復(fù)雜，成本高，不適合批量化制備。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，國(guó)家納米科學(xué)中心方英研究員和李紅變副研究員（通訊作者）在國(guó)際期刊Small上成果發(fā)表“Multiscale Hierarchical Design of a Flexible Piezoresistive Pressure Sensor with High Sensitivity and Wide Linearity Range”的論文。第一作者是博士生史濟(jì)東。他們提出了一種簡(jiǎn)便的低成本制備大線(xiàn)性范圍壓阻式壓力傳感器的方法。利用表面具有多級(jí)次分級(jí)結(jié)構(gòu)的荷葉作為模板制備了表面具有大量分級(jí)結(jié)構(gòu)微米柱的PDMS基底。進(jìn)一步在其表面噴涂石墨烯，石墨烯納米片的堆疊褶皺進(jìn)一步引入分級(jí)結(jié)構(gòu)，從而制備了具有多級(jí)次分級(jí)結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器。
一種簡(jiǎn)便的低成本制備大線(xiàn)性范圍壓阻式壓力傳感器的方法
圖1以荷葉為模板制備壓力傳感器。(a)荷葉表面的掃描電鏡圖片；（b）以荷葉為模板制備壓力傳感器的過(guò)程示意圖；(c)所制備的壓力傳感器電極表面的掃面電鏡圖片;(d)單根分級(jí)結(jié)構(gòu)微米柱的掃描電鏡圖片;(e)所制備的壓力傳感器電極表面的激光高度圖。
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圖2(a,b)壓力傳感器對(duì)不同壓力的電學(xué)響應(yīng)；(c)器件的電學(xué)響應(yīng)隨壓力的變化；(d,e)器件循環(huán)1000次的穩(wěn)定響應(yīng);(f)不同初始電阻的器件對(duì)壓力的響應(yīng)對(duì)照。
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圖3(a)具有光滑表面的電極接觸示意圖；(b)具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的電極接觸示意圖;(c)光滑表面的電極接觸隨壓力變化圖；(d)具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的電極接觸隨壓力變化圖。
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圖4(a-c)壓力傳感器對(duì)脈搏跳動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)；(d-e)脈搏對(duì)聲音振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)。
一種簡(jiǎn)便的低成本制備大線(xiàn)性范圍壓阻式壓力傳感器的方法
圖5.(a)集成的壓力傳感器陣列；(b)傳感器陣列對(duì)不同形狀物體壓力分布的檢測(cè)；(c)傳感器陣列對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤。
所制備的壓力傳感器對(duì)不同的壓力均有靈敏快速穩(wěn)定的響應(yīng)，其線(xiàn)性工作區(qū)間高達(dá)0-25 kPa。而且，該器件具有較高的靈敏度，為1.2 kPa-1，且其最低檢測(cè)限低至5 Pa。此外，該器件還具有非常好的穩(wěn)定性，循環(huán)使用1000次后器件性能沒(méi)有發(fā)生明顯變化。有限元分析表明，該器件的多尺度分級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了器件在大范圍壓力作用下上下電極接觸面積快速增加，因而實(shí)現(xiàn)了器件的大線(xiàn)性工作范圍。
隨后，進(jìn)一步利用該壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)小的壓力變化，如脈搏跳動(dòng)，聲音振動(dòng)等的靈敏監(jiān)測(cè)。而且，還實(shí)現(xiàn)了傳感器對(duì)大的壓力變化，如手指按壓等的監(jiān)測(cè)，并將壓力傳感器連接LED燈泡實(shí)現(xiàn)了壓力可視化監(jiān)測(cè)。最后，還將該器件進(jìn)行了集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓在器件陣列表面物體形狀的判斷和對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤和還原。為器件在健康監(jiān)測(cè)和電子皮膚等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
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.
國(guó)家納米科學(xué)中心方英研究員課題組主要從事功能性柔性電子器件的開(kāi)發(fā)和其在生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，包括可穿戴電子器件，柔性神經(jīng)電極等。在可穿戴電子器件領(lǐng)域，他們首次通過(guò)在碳納米管網(wǎng)絡(luò)中引入石墨烯進(jìn)行結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，獲得了對(duì)應(yīng)變單調(diào)線(xiàn)性的電學(xué)響應(yīng)(Adv.Funct.Mater.2016,26,2078)。此外，還通過(guò)石墨烯焊接垂直搭接的碳納米管陣列，進(jìn)一步提高了碳納米管-石墨烯體系應(yīng)變傳感的靈敏度(Carbon,2017,123,786)。
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