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吉林大學張彤教授團隊 AFM: Janus導電機制-實現(xiàn)超寬線性范圍壓力傳感器的創(chuàng)新策略
2024-04-06  來源：高分子科技

  柔性壓力傳感器在健康監(jiān)測與診斷、機械假肢和人機交互等關(guān)鍵醫(yī)學技術(shù)領(lǐng)域中起著重要的作用。在很多應用場景中，高靈敏度和寬線性響應范圍的柔性壓力傳感器是準確捕捉壓力刺激信號的關(guān)鍵條件。對于具有多個線性區(qū)間的壓力傳感器，在實際應用中需要額外的電路和信號處理來滿足不同的壓力負載范圍。此外，在傳感器封裝以及固定到皮膚表面時，不可避免地存在預載壓力。例如，對于一些微弱的生理信號，通常需要更高的預載壓力以最大程度地提取皮膚信號。預載壓力往往會超出高靈敏度的有效壓力范圍，降低傳感器對微小壓力刺激的感知能力。因此，寬線性響應范圍內(nèi)具有高靈敏度的特性對于實現(xiàn)高壓力分辨率、高信噪比以及簡化信號處理過程至關(guān)重要。


  目前，已報道的大多數(shù)電阻型壓力傳感器的有效檢測范圍主要集中在500 kPa內(nèi)，包括2~3個線性區(qū)間，具有最高靈敏度的線性響應范圍通常在200 kPa內(nèi)，當受到更大壓力負載時靈敏度會顯著下降。顯然，高靈敏度和寬檢測范圍之間存在著制約關(guān)系。為了克服這一限制，復雜的微觀多層結(jié)構(gòu)、梯度微納結(jié)構(gòu)界面及孔隙設計策略成功實現(xiàn)了超過1000 kPa的超寬檢測范圍和高靈敏度壓力傳感器。然而，構(gòu)建具有高精度和多維度的微納結(jié)構(gòu)往往需要精準的技術(shù)和更高的加工成本，這些復雜的設計策略和制作工藝不利于傳感器的可重復性和可靠性。構(gòu)筑三維多孔結(jié)構(gòu)和多層微納結(jié)構(gòu)的方法導致了器件厚度增加，限制了傳感器對皮膚和復雜表面的最佳順應性和附著能力。因此，現(xiàn)有的解決方案仍然存在制作工藝復雜、制作成本高和器件尺寸難以滿足需求等問題（圖 1所示），柔性可穿戴傳感器的實用化仍然具有挑戰(zhàn)性。


圖1. 本工作與已報道研究中寬量程電阻型柔性壓力傳感器比較：解決方案和設計策略、器件結(jié)構(gòu)、工藝復雜性、制作成本、器件厚度


  最近，吉林大學張彤教授團隊提出了一種基于Janus導電結(jié)構(gòu)的壓阻傳感器。該結(jié)構(gòu)由雙電阻敏感層組裝而成，電流傳輸路徑在寬量程內(nèi)由壓力引起的階段性轉(zhuǎn)變有效地緩解了傳感器電阻變化的飽和速率。所構(gòu)筑的壓力傳感器具有0-3800 kPa的超寬檢測范圍，在0-1000 kPa范圍內(nèi)具有4.11 kPa-1的高靈敏度和99.9%的線性度。與已報道的超寬量程的壓阻型傳感器相比，該工作中傳感器表現(xiàn)出更高的靈敏度和更寬的線性響應范圍。研究中選擇纖維素納米纖維（CNFs）紙作為基底，將CNFs/CNTs復合纖維紙作為敏感層，簡單的材料制備和器件組裝工藝有效簡化了制作工藝并降低了成本，傳感器具有200μm的超薄器件厚度以適應形變。此外，在表面設計策略中采用的復雜微納結(jié)構(gòu)極易在長期重復和高強度機械壓力負載下發(fā)生老化，與立體的微納結(jié)構(gòu)界面設計相比，紙張?zhí)峁┝艘粋相對平坦的接觸界面從而避免類似問題的發(fā)生，傳感器能夠在高壓負載重復下，保持良好的穩(wěn)定性和耐久性。該工作提出了一種開創(chuàng)性的方法，實現(xiàn)了一種有效的兼顧電阻型柔性壓力傳感器敏感性能、器件體積和工藝成本的最佳解決方案。 


圖2. （a）纖維素納米纖維（CNFs）是一種可以廣泛從植物中提取的生物聚合物；（b）CNFs/PVA和CNFs/CNTs紙的照片；（c）CNFs與CNTs之比為1:5、1:1、5:1、10:1和15:1的CNFs/CNTs紙的電導率比較;（d）壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖;（e）壓力傳感器的照片和傳感器的厚度僅約200μm；（f）CNFs/PVA基材和電極，（g-i）CNFs與CNTs之比為1:5、5:1和15:1的CNFs/CNTs紙的表面SEM圖像；（j，k）具有（j）單敏感層結(jié)構(gòu)和（k）Janus導電敏感層結(jié)構(gòu)的壓力傳感器比較
 

圖3. 單敏感層（SSL）和Janus導電雙敏感層（DSL）結(jié)構(gòu)傳感器的壓力傳感性能比較:（a）SSL傳感器和（b）DSL傳感器的電流響應與壓力關(guān)系曲線；（c）SSL和DSL傳感器在0-500 kPa壓力范圍內(nèi)的線性度比較；（d）SSL和（e）DSL傳感器的初始電流（無壓力負載下）、最終電流（500kPa下）和最終響應的比較；（f）SSL和DSL傳感器在0-500 kPa壓力范圍內(nèi)的靈敏度比較；（g）DSL-4傳感器在0-3800 kPa的寬壓力范圍內(nèi)的電流響應與壓力之間的關(guān)系曲線；（h，i）本工作中的靈敏度、壓力檢測范圍和線性度與已報道文獻中壓力傳感器性能比較
 

圖4. DSL-4傳感器的動態(tài)響應性能:（a）DSL-4傳感器在不同壓力下的伏安特性曲線；（b）在不同壓力下的重復響應曲線；（c）DSL-4傳感器在300 kPa壓力下的響應和恢復時間；（d）DSL-4傳感器在頻率范圍為0.16至2.5 Hz的300 kPa壓力下的動態(tài)響應曲線；（e）DSL-4傳感器在3000 kPa下對重復壓力負載循環(huán)的響應曲線；（f）DSL-4傳感器在0-3800kPa范圍內(nèi)增加壓力的過程和減少壓力的恢復過程
 

圖5. DSL-4傳感器的高分辨率性能和壓敏機制:（a-d）在0、1000、2000和3000 kPa的不同初始參考壓力下對小壓力（1N）的動態(tài)響應曲線；（e-g）DSL壓力傳感器在低、中、高不同壓力范圍內(nèi)的壓力傳感機制示意圖、（h-j）響應變化趨勢和（k，l）等效電路
 

圖6. DSL-4傳感器的可穿戴應用:（a，b）佩戴血壓計袖帶時對橈動脈信號的監(jiān)測;（c，d）從指尖捕獲的脈沖信號實時波形;（e，f）通過將DSL-4傳感器固定到指關(guān)節(jié)來檢測手指彎曲角度；（g，h）區(qū)分在初始壓力下對體重60 kg的受試者施加和移除500 ml瓶裝水的過程

圖7. 壓力傳感器陣列的設計及其在步態(tài)分析中的應用:（a）4×11像素壓力傳感器陣列的結(jié)構(gòu)示意圖;（b）無線足底壓力分布檢測系統(tǒng)照片;（c）無線步態(tài)檢測系統(tǒng)的組成部分;（d）足部可分為三個區(qū)域：前掌、足中部和腳跟，以及相應的足底壓力分布譜圖;（e）下蹲過程中的足底壓力分布譜圖，分為三種情況：前傾、居中和后傾；（f）一個完整步態(tài)周期的足底壓力分布譜圖，從跟足觸地到前掌觸地過程


  該工作以“Janus Conductive Mechanism: An Innovative Strategy Enabling Ultra-Wide Linearity Range Pressure Sensing for Multi-Scenario Applications”為題發(fā)表在國際著名期刊Advanced Functional Materials。吉林大學電子科學與工程學院鼎新博士后林修竹為第一作者，通訊作者為張彤教授和趙紅然副教授。上述工作是該團隊近期關(guān)于可穿戴柔性傳感器的最新進展之一。吉林大學微納傳感材料與器件實驗室（SMDLAB）長期致力于面向工業(yè)生產(chǎn)安全、環(huán)境污染、人體健康以及家居環(huán)境等領(lǐng)域的氣體、濕度、壓力、溫度、生物分子等傳感檢測，開展微納米傳感材料的設計和制備、傳感器的結(jié)構(gòu)設計以及應用開發(fā)。相關(guān)成果還發(fā)表在ACS Nano、Nano Energy、Biosensors & Bioelectronics、Journal of Hazardous Material、Nano-Micro Letters、、IEEE Electron Device Letters、ACS Sensors、Sensors and Actuators B:Chemical、ACS Applied Materials & Interfacs、Small、Small Methods等期刊上。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202316314


  課題組網(wǎng)站鏈接：http://smdlab.jlu.edu.cn

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（責任編輯：xu）
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