科研进展简报

压阻传感器研究的系列进展

来源:武汉光电国家研究中心    作者:能源光子学功能实验室    发布时间:2018年06月13日

        微型柔性传感器是智能设备的重要组成部件,其具有良好的柔韧性,可任意弯曲,穿戴舒适等特性,在物联网、智能产业等领域受到极大的关注。微型柔性压阻式传感器在人机界面和电子皮肤等领域有很强的应用潜力。然而,大多数柔性压阻式传感器的制造过程比较复杂且灵敏度不高。如何实现大规模且低成本的制造、如何巧妙地设计传感器的结构成为了当前研究领域的热点。

        武汉光电国家研究中心、物理学院高义华教授团队在大规模制备传感器的敏感材料和巧妙设计传感器的结构方面取得了系列进展。

        美国化学学会旗下著名期刊《美国化学学会:纳米》(ACS Nano 2018, 12, 3209−3216)发表了该团队的最新研究成果《MXene/还原氧化石墨烯协同复合的三维气凝胶压阻传感器》(3D Synergistical MXene/Reduced Graphen Oxide Aerogel for a Piezoresistive Sensor)。一方面,氧化石墨烯(GO)比表面积较大、亲水性良好,很适合构筑多种结构并应用到压阻传感器的研究领域中。但是,GO较差的导电性阻碍了其在相关领域的进一步应用。另一方面,新型二维材料-MXene凭借其独特的结构和电学性能,在电磁屏蔽,净水,场效应晶体管和储能等领域表现了良好的应用前景,是一类极具发展潜力的新一代二维纳米功能材料。MXene具有金属导电性和极好的水溶性可以和GO复合在一起克服其导电性差的缺点。另一方面,GO的片层较大,可以与MXenes复合,构筑新型MXene/GO三维结构。该团队制备了基于MXene/还原氧化石墨烯(rGO)复合三维气凝胶结构的高灵敏传感器。他们将尺寸较小的MXene纳米片分散于GO纳米片胶体溶液中,通过真空冻干和低温退火,合成出MXene/rGO复合三维气凝胶结构。将此材料应用于传感器活性部件能大大提高机械强度,灵敏度(22.56 kPa-1),稳定性(10000次),较快的响应速度(200 ms)和检测灵敏度(10 Pa以下)。这些指标都高于很多碳材料和高分子聚合物。论文第一作者为博士生马亚楠,通讯作者为高义华教授。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b06909

 1

图1, 传感器制作与工作示意图

 

       该团队还采用简单的浸渍干燥法将具有二维层状结构的MXene纳米片复合到具有高度可压缩性能的海绵骨架上,制备出了具备高灵敏度的柔性MXene-海绵复合压敏材料。并进一步引入一层通过静电纺丝法制备的PVA纳米线网络制备出了一种高性能的压阻式传感器。该纳米线网络能有效隔离活性材料之间的导电通路,由此研制出的传感器在受压力时其内部的电学传输路径急剧增多,从而表现出高达442 kPa-1的灵敏度、低至9 Pa的探测极限和可经历10000次压力循环的稳定性。与传统的压阻式传感器相比,该传感器制作工艺简单而性能优异。该工作为低成本,大规模的制备高性能压阻式传感器提供了新思路。综合科学类权威学术期刊《纳米能源》(Nano Energy 2018, 50, 79-87)发表了题为《三维复合多孔的Mxene-海绵网络及其在压阻式传感器的应用》(3D hybrid porous Mxene-sponge network and its application in piezoresistive sensor)的该研究成果。论文第一作者为博士生岳阳,通讯作者为刘逆霜副教授。

2

图2, 传感器制作与工作示意图

        论文链接:https://ac.els-cdn.com/S2211285518303355/1-s2.0-S2211285518303355-main.pdf?_tid=bf83807c-20c3-4f62-a530-f59719796f49&acdnat=1526888731_0517d892de75194b55b40b53f7211b2b

 

        该团队又采用简单的碳化过程将具有三维多孔结构的三聚氰胺海绵经过退火处理后转化为碳泡沫,制备出了具备高灵敏度的柔性压敏材料。并进一步通过控制碳化温度在碳泡沫内部引入具有断裂结构的碳纤维制备出了一种高性能的压阻式传感器。该断裂结构的碳纤维能有效调节活性材料之间的导电通路,由此研制出的传感器在受压力时其内部的电学传输路径急剧增多,从而表现出高达100.29 kPa-1的灵敏度、低至3 Pa的探测极限和可经历11000次压力循环的稳定性。与传统的压阻式传感器相比,该传感器制作工艺简单而性能优异。该工作为低成本,大规模的制备高性能压阻式传感器提供了新思路。题为《一种基于弹性碳泡沫的柔性和高度敏感的压力传感器》(A flexible and highly sensitive pressure sensor based on elastic carbon foam)的研究成果发表在科学类权威学术期刊《材料化学杂志C(Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6, 1451-1458)发表了论文第一作者为博士生刘伟杰,通讯作者为刘逆霜副教授。

论文链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/tc/c7tc05228f

        另外,材料领域国际权威期刊《小》(Small 2018, 1704149)发表了题为《基于内交联的聚乙烯醇纳米线和褶皱的石墨烯膜协同作用的压力传感器》(Piezoresistive Pressure Sensor Based on Synergistical Innerconnect Polyvinyl Alcohol Nanowires/Wrinkled  Graphene Film)的研究成果。该团队在继承传统方法的基础上,采用一种新的简单的途径进一步改变活性材料间的电学传输路径:在褶皱的石墨烯薄膜与叉指电极之间引入一层通过静电纺丝法制备的聚乙烯醇纳米线网络作为隔离层。该隔离层能有效调节石墨烯膜和电极之间的导电通路,由此研制出的传感器在受压力时其内部的电学传输路径急剧增多,从而表现出28.34 kPa−1的灵敏度、低至22.4mg (≈ 2.24 Pa)的可探测度和可经历6000次压力循环的稳定性。与传统压阻式传感器相比,该传感器制作工艺简单而性能优异,其灵敏度远高于传统方法所获得的传感器。该工作为获得高性能压阻式传感器提供了新思路,推动了传感器领域的发展。论文第一作者为博士生刘伟杰,通讯作者为刘逆霜副教授。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201704149

 

这些传感器能清晰地分辨出人体脉搏信号中的微小波动,实施检测人体皮肤表面的运动和探测压力分布等实际应用。它们有望应用到电子皮肤等人工智能领域,并为其它相关研究提供了新途径。

这些研究工作得到了国家自然科学基金项目(11374110, 11674113和51371085)和湖北省自然科学基金的资助(2016CFB432)的资助。