高性能柔性压力传感器的制备

来源:X-MOL 2017-2-15

为了满足可穿戴器件的发展需求,高灵敏度、低成本的柔性压力传感器的设计与制备吸引了科学界和工业界的广泛关注。清华大学张莹莹团队一直致力于发展碳基柔性可穿戴电子器件与集成设备。近日,该团队基于碳纳米管/石墨烯薄膜和蚕丝纳米纤维膜,分别报道了两种高性能柔性压力传感器的制备方法。

 

其一是通过在取向碳纳米管薄膜上原位生长石墨烯,从而得到导电性好、透光性高的复合薄膜,并利用直接印模植物叶片表面多级微结构的方法得到具有微结构的柔性基底,将两者结合得到高灵敏、低检测限的薄膜状柔性压力传感器。具体而言,首先将从可纺碳纳米管垂直阵列抽丝得到的碳纳米管薄膜转移到铜箔表面,通过化学气相沉积法原位生长石墨烯,得到取向碳纳米管/石墨烯薄膜。该薄膜具有优异的导电性、良好的强度和透光性。具有多级微结构的柔性基底通过印模植物叶片得到,该方法过程简单但效果突出。将取向碳纳米管/石墨烯薄膜转移到具有多级微结构的基底表面,因石墨烯的存在增大了接触面积,使微结构基底与复合薄膜可形成良好的接触。将两片柔性复合薄膜材料相对放置,即可得到高性能压阻式柔性压力传感器。该传感器具有高灵敏度(19.8 kPa-1)和快速响应(<16.7 ms)的特点;同时,具有很低的检测极限,例如,可检测一个小水滴产生的压力(约为0.6 Pa);柔性基底与复合薄膜良好的接触赋予了传感器长期稳定性,经过35000次循环后依然保持稳定。由于其良好的性能,该传感器可用于弯曲、扭转和声波振动等检测,也可用来监测人体脉搏、呼吸等信号,从而在智能设备、电子皮肤等领域具有应用价值。

 

 

其二是首次以桑蚕丝作为原材料,通过静电纺丝及高温碳化将其转化为微晶石墨化纳米纤维膜,制备了一种具有超高灵敏度(34.47 kPa?1)、高透明度(90.75%)、低检测极限(0.8 Pa)、超低响应时间(<16.7 ms)、可阵列化集成的压力传感器。该研究利用成熟的静电纺丝技术,得到形貌均匀、高比表面积的蚕丝纳米纤维膜,通过高温碳化处理使其形成具有高导电性的石墨化微晶纳米纤维膜,并作为压力传感器的功能层材料。由于通过静电纺丝技术制备的蚕丝纳米纤维膜具有高密度的交联位点,当施加外部压力时,纳米纤维膜的接触位点数目发生变化,从而可以实时、灵敏地监测压力;该传感器可与人体皮肤紧密贴合,对微小的生理信号进行实时的、高保真性的检测与输出;该传感器还易于集成及大面积制备,可形成传感器阵列,从而用于压力分布的检测。与此前的方法比较,更为重要的是该方法使用产量丰富、人体友好的桑蚕丝作为原材料,无毒无污染、成本低廉且适宜大规模生产,从而具有非常可观的实用化前景。将其贴附于人体皮肤或集成在可穿戴设备中,可对健康信号、触觉重建和人机交互等领域进行应用。

 

这两项研究成果均发表在《Advanced Functional Materials》上,文章的通讯作者是张莹莹,第一作者分别是清华大学博士研究生蹇木强和博士研究生王琪。

http://dx.doi.org/10.1002/adfm. 201606066

原文:Flexible and Highly Sensitive Pressure Sensors Based on Bionic Hierarchical Structures

Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201606066

 

http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201605657

原文:Carbonized Silk Nanofiber Membrane for Transparent and Sensitive Electronic Skin

Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201605657