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上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)副教授《Nano Energy》：仿生策略用于構(gòu)建高靈敏度和寬壓力范圍的壓力傳感器
2022-07-05  來(lái)源：高分子科技

  一般來(lái)說(shuō)，壓力傳感器的高靈敏性與寬檢測(cè)范圍往往不能兼得。例如，在柔性材料表面引入分層微結(jié)構(gòu)可以有效提高壓力傳感器的靈敏度，但由于微結(jié)構(gòu)的可壓縮性有限，只有在較低的壓力范圍才能產(chǎn)生高靈敏度，因此制備一種在寬壓力范圍內(nèi)高靈敏度的柔性壓力 傳感器是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。


  鑒于此，上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)副教授與其研究生張翠芬, 基于在應(yīng)力應(yīng)變傳感器領(lǐng)域(J. Mater. Chem. A, 2021,9, 3931; J. Mater. Chem. C, 2021, 9, 15337; Eur. Polym. J., 2022, 164: 110980)的研究基礎(chǔ)，受壁虎觸角和人體骨骼結(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計(jì)制備了一種分層梯度結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)提高靈敏度和拓寬壓力工作范圍并確保長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)的信號(hào)穩(wěn)定性。這種傳感器具有半球陣列和梯度孔隙結(jié)構(gòu)，允許其從微小壓力到高壓力區(qū)域內(nèi)發(fā)生大幅度變形，顯著提高了傳感器在形變壓力范圍內(nèi)的靈敏度。該傳感器在0~1.9 kPa壓力范圍內(nèi)敏感度可達(dá)102.3 kPa-1，壓力檢測(cè)范圍為0~400 kPa，且具備響應(yīng)迅速 (35 ms)和良好的信號(hào)穩(wěn)定性(>5000)等特點(diǎn)。通過(guò)簡(jiǎn)單的制備方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了壓力傳感器高靈敏度和寬壓力工作范圍，使其實(shí)際應(yīng)用范圍廣泛。


  通常而言，壓力傳感器在壓力作用下電阻、電流或電容的變化大小是直接影響其靈敏度的一個(gè)關(guān)鍵因素。然而，用于制造壓力傳感器的軟材料或多孔聚合物是不可壓縮或有限可壓縮的，因此壓力工作范圍和靈敏度提高有限。在本研究中，作者在一個(gè)傳感器中同時(shí)引入分層和梯度多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使傳感器在寬壓力范圍內(nèi)(0~400 kPa)產(chǎn)生壓縮形變；另外，在其表面引入半球微孔結(jié)構(gòu)，使得傳感器在低應(yīng)力下具有高的靈敏度且有助于其在較寬壓力范圍下靈敏度的提高。


圖1 材料設(shè)計(jì)原理及制備過(guò)程


圖2 HGA的形態(tài)及數(shù)據(jù)模擬


圖3 傳感性能測(cè)試及對(duì)比


圖4 傳感器對(duì)于不同壓力的感知信號(hào)


  相關(guān)工作以“Bioinspired Engineering of Gradient and Hierarchical Architecture into Pressure Sensors toward High Sensitivity within Ultra-broad Working Range”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Nano Energy》上（影響因子19.069）。本研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（52003151）的支持。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522005900

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