具有出色力-電轉(zhuǎn)換能力的靈活、可穿戴壓力傳感器在個(gè)人醫(yī)療保健監(jiān)控、人機(jī)交互、智能機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。與壓阻式、壓電電容式、壓電式、和摩擦式傳感器相比，壓阻式傳感器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本效益高和易于制造而得到了廣泛的發(fā)展。盡管在壓阻傳感器的靈敏度、檢測(cè)極限、靈活性和穩(wěn)定性方面已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，但是仍然非常希望同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和寬線性檢測(cè)范圍。

受玫瑰花瓣微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊維清等報(bào)道了一種兼具有高靈敏度和寬壓力檢測(cè)范圍的柔性壓阻式壓力傳感器。得益于夾在分級(jí)聚苯胺/聚偏氟乙烯納米纖維(HPPNF)膜之間的互鎖微體結(jié)構(gòu)，這種生物電子器件呈現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械柔性和電性能，具有53 kPa?1的超高靈敏度、58.4至960 Pa的壓力檢測(cè)范圍、38ms的快速響應(yīng)時(shí)間以及超過50，000次循環(huán)的出色循環(huán)穩(wěn)定性。

文章亮點(diǎn)：

1.HPPNF膜制備—首先將隨機(jī)取向的聚偏氟乙烯納米纖維靜電紡絲作為核殼聚偏氟乙烯/聚苯胺納米纖維網(wǎng)絡(luò)的框架。隨后，采用遠(yuǎn)程氬氧等離子體修飾策略來改善所得納米纖維的親水性。這些大大改進(jìn)的親水性聚偏氟乙烯納米纖維可以完全浸入水溶液中，聚苯胺納米線可以原位氧化聚合聚偏氟乙烯納米纖維的表面。

基于PVDF/PANI納米纖維的柔性可穿戴壓力傳感器的制備工藝、機(jī)理和光學(xué)成像

2. 通過長(zhǎng)期的自然選擇，分層的微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)從自然的機(jī)械適應(yīng)中發(fā)展出來，具有微體結(jié)構(gòu)的分層圖案化PDMS膜是通過模仿玫瑰花瓣的結(jié)構(gòu)制造的。首先，作為犧牲層，從玫瑰花瓣的表面復(fù)制反向微結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇膜。制備的聚乙烯醇薄膜顯示出均勻的蜂窩狀孔。在PDMS薄膜上壓印出反向結(jié)構(gòu)后，成功獲得花瓣的微結(jié)構(gòu)。金電極被濺射到微圖案化的PDMS膜層的表面上。兩個(gè)生物傳感微結(jié)構(gòu)電極夾在納米纖維膜之間，以構(gòu)建分級(jí)結(jié)構(gòu)的壓阻傳感器。受益于大量的導(dǎo)電路徑和變形放大效應(yīng)，所設(shè)計(jì)的壓阻傳感器顯示出優(yōu)異的電性能。

分級(jí)PVDF/PANI納米纖維和分級(jí)圖案化PDMS薄膜的表征

3. 為了闡明所設(shè)計(jì)的多尺度柔性壓力傳感器的傳感機(jī)理，構(gòu)建了傳感器的幾何模型。使用抽象的球-棒模型通過有限元方法(FEM)分析來探索應(yīng)力和應(yīng)變分布。與平面結(jié)構(gòu)相比，微體結(jié)構(gòu)電極可以極大地?cái)U(kuò)大聚苯胺納米纖維的倍增應(yīng)變接觸面積，具有優(yōu)異的柔韌性。當(dāng)器件受壓時(shí)，接觸面積顯著擴(kuò)大的微體結(jié)構(gòu)電極將顯著降低電阻。壓力釋放后，電阻將迅速恢復(fù)到其初始狀態(tài)，這種壓阻效應(yīng)與有限元分析結(jié)果非常一致。

柔性壓力傳感器的傳感機(jī)制

4. 基于優(yōu)異的電性能，這種靈活的傳感器可以成功地監(jiān)測(cè)微妙的信號(hào)和身體運(yùn)動(dòng)，顯示出快速，實(shí)時(shí)，非侵入性的人體健康評(píng)估的潛在應(yīng)用。由于傳感器和人體表皮之間的共形接觸，手腕脈搏、呼吸、喉嚨振動(dòng)以及手指、肌肉、脊柱和步態(tài)運(yùn)動(dòng)信號(hào)的生理信號(hào)以清晰的電流曲線的形式被有效地檢測(cè)到。

利用研制的柔性傳感器監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)和運(yùn)動(dòng)