一種簡便的低成本制備大線性范圍壓阻式壓力傳感器的方法
一種簡便的低成本制備大線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)測及人機(jī)交互等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用受到越來越多的關(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)簡單、靈敏度高和信號處理簡便等優(yōu)勢而被廣泛研究。壓阻式壓力傳感器一般是由兩個在彈性體基底上的電極面對面組裝而成，在不同壓力下，兩個電極的接觸面積不同，從而流經(jīng)兩個電極的電流不同。根據(jù)流經(jīng)兩個電極的電流變化實現(xiàn)器件對不同壓力的靈敏響應(yīng)。
工作的線性范圍是衡量壓力傳感器性能的重要參數(shù)。而對于傳統(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，接觸面積增加緩慢，靈敏度降低，偏離原來的線性。目前，壓阻式壓力傳感器的線性工作區(qū)間一般均小于3 kPa，遠(yuǎn)小于人類的手握物體，手指按壓，跑步等產(chǎn)生的壓力（大于10 kPa）。若實現(xiàn)這些壓力的檢測，需要額外的計算模塊，為壓力傳感器的設(shè)計及可穿戴性能帶來不便。因此，開發(fā)大線性范圍的壓阻式壓力傳感器顯得尤為重要。
通過在基底上引入多級次結(jié)構(gòu)，例如通過選擇性刻蝕銅基底，并利用化學(xué)氣相沉積法生長石墨烯制備的PDMS/石墨烯微柱傳感器可以得到0-12 kPa的線性范圍。通過設(shè)計呈高斯分布的模板制備的壓力傳感器線性范圍為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。
【成果簡介】
近日，國家納米科學(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。他們提出了一種簡便的低成本制備大線性范圍壓阻式壓力傳感器的方法。利用表面具有多級次分級結(jié)構(gòu)的荷葉作為模板制備了表面具有大量分級結(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)一步引入分級結(jié)構(gòu)，從而制備了具有多級次分級結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器。
一種簡便的低成本制備大線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壓力的響應(yīng)對照。
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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)壓力傳感器對脈搏跳動信號的檢測；(d-e)脈搏對聲音振動信號的檢測。
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圖5.(a)集成的壓力傳感器陣列；(b)傳感器陣列對不同形狀物體壓力分布的檢測；(c)傳感器陣列對運動軌跡的追蹤。
所制備的壓力傳感器對不同的壓力均有靈敏快速穩(wěn)定的響應(yīng)，其線性工作區(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次后器件性能沒有發(fā)生明顯變化。有限元分析表明，該器件的多尺度分級結(jié)構(gòu)設(shè)計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，因而實現(xiàn)了器件的大線性工作范圍。
隨后，進(jìn)一步利用該壓力傳感器實現(xiàn)了對小的壓力變化，如脈搏跳動，聲音振動等的靈敏監(jiān)測。而且，還實現(xiàn)了傳感器對大的壓力變化，如手指按壓等的監(jiān)測，并將壓力傳感器連接LED燈泡實現(xiàn)了壓力可視化監(jiān)測。最后，還將該器件進(jìn)行了集成，實現(xiàn)了對壓在器件陣列表面物體形狀的判斷和對運動軌跡的追蹤和還原。為器件在健康監(jiān)測和電子皮膚等領(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)，獲得了對應(yīng)變單調(diào)線性的電學(xué)響應(yīng)(Adv.Funct.Mater.2016,26,2078)。此外，還通過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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