吉林大学张彤教授团队 AFM: Janus导电机制-实现超宽线性范围压力传感器的创新策略

2024-04-06 来源：高分子科技

柔性压力传感器在健康监测与诊断、机械假肢和人机交互等关键医学技术领域中起着重要的作用。在很多应用场景中，高灵敏度和宽线性响应范围的柔性压力传感器是准确捕捉压力刺激信号的关键条件。对于具有多个线性区间的压力传感器，在实际应用中需要额外的电路和信号处理来满足不同的压力负载范围。此外，在传感器封装以及固定到皮肤表面时，不可避免地存在预载压力。例如，对于一些微弱的生理信号，通常需要更高的预载压力以最大程度地提取皮肤信号。预载压力往往会超出高灵敏度的有效压力范围，降低传感器对微小压力刺激的感知能力。因此，宽线性响应范围内具有高灵敏度的特性对于实现高压力分辨率、高信噪比以及简化信号处理过程至关重要。

目前，已报道的大多数电阻型压力传感器的有效检测范围主要集中在500 kPa内，包括2~3个线性区间，具有最高灵敏度的线性响应范围通常在200 kPa内，当受到更大压力负载时灵敏度会显著下降。显然，高灵敏度和宽检测范围之间存在着制约关系。为了克服这一限制，复杂的微观多层结构、梯度微纳结构界面及孔隙设计策略成功实现了超过1000 kPa的超宽检测范围和高灵敏度压力传感器。然而，构建具有高精度和多维度的微纳结构往往需要精准的技术和更高的加工成本，这些复杂的设计策略和制作工艺不利于传感器的可重复性和可靠性。构筑三维多孔结构和多层微纳结构的方法导致了器件厚度增加，限制了传感器对皮肤和复杂表面的最佳顺应性和附着能力。因此，现有的解决方案仍然存在制作工艺复杂、制作成本高和器件尺寸难以满足需求等问题（图 1所示），柔性可穿戴传感器的实用化仍然具有挑战性。

图1. 本工作与已报道研究中宽量程电阻型柔性压力传感器比较：解决方案和设计策略、器件结构、工艺复杂性、制作成本、器件厚度

最近，吉林大学张彤教授团队提出了一种基于Janus导电结构的压阻传感器。该结构由双电阻敏感层组装而成，电流传输路径在宽量程内由压力引起的阶段性转变有效地缓解了传感器电阻变化的饱和速率。所构筑的压力传感器具有0-3800 kPa的超宽检测范围，在0-1000 kPa范围内具有4.11 kPa^-1的高灵敏度和99.9%的线性度。与已报道的超宽量程的压阻型传感器相比，该工作中传感器表现出更高的灵敏度和更宽的线性响应范围。研究中选择纤维素纳米纤维（CNFs）纸作为基底，将CNFs/CNTs复合纤维纸作为敏感层，简单的材料制备和器件组装工艺有效简化了制作工艺并降低了成本，传感器具有200μm的超薄器件厚度以适应形变。此外，在表面设计策略中采用的复杂微纳结构极易在长期重复和高强度机械压力负载下发生老化，与立体的微纳结构界面设计相比，纸张提供了一个相对平坦的接触界面从而避免类似问题的发生，传感器能够在高压负载重复下，保持良好的稳定性和耐久性。该工作提出了一种开创性的方法，实现了一种有效的兼顾电阻型柔性压力传感器敏感性能、器件体积和工艺成本的最佳解决方案。

图2. （a）纤维素纳米纤维（CNFs）是一种可以广泛从植物中提取的生物聚合物；（b）CNFs/PVA和CNFs/CNTs纸的照片；（c）CNFs与CNTs之比为1:5、1:1、5:1、10:1和15:1的CNFs/CNTs纸的电导率比较;（d）压力传感器结构示意图;（e）压力传感器的照片和传感器的厚度仅约200μm；（f）CNFs/PVA基材和电极，（g-i）CNFs与CNTs之比为1:5、5:1和15:1的CNFs/CNTs纸的表面SEM图像；（j，k）具有（j）单敏感层结构和（k）Janus导电敏感层结构的压力传感器比较

图3. 单敏感层（SSL）和Janus导电双敏感层（DSL）结构传感器的压力传感性能比较:（a）SSL传感器和（b）DSL传感器的电流响应与压力关系曲线；（c）SSL和DSL传感器在0-500 kPa压力范围内的线性度比较；（d）SSL和（e）DSL传感器的初始电流（无压力负载下）、最终电流（500kPa下）和最终响应的比较；（f）SSL和DSL传感器在0-500 kPa压力范围内的灵敏度比较；（g）DSL-4传感器在0-3800 kPa的宽压力范围内的电流响应与压力之间的关系曲线；（h，i）本工作中的灵敏度、压力检测范围和线性度与已报道文献中压力传感器性能比较

图4. DSL-4传感器的动态响应性能:（a）DSL-4传感器在不同压力下的伏安特性曲线；（b）在不同压力下的重复响应曲线；（c）DSL-4传感器在300 kPa压力下的响应和恢复时间；（d）DSL-4传感器在频率范围为0.16至2.5 Hz的300 kPa压力下的动态响应曲线；（e）DSL-4传感器在3000 kPa下对重复压力负载循环的响应曲线；（f）DSL-4传感器在0-3800kPa范围内增加压力的过程和减少压力的恢复过程

图5. DSL-4传感器的高分辨率性能和压敏机制:（a-d）在0、1000、2000和3000 kPa的不同初始参考压力下对小压力（1N）的动态响应曲线；（e-g）DSL压力传感器在低、中、高不同压力范围内的压力传感机制示意图、（h-j）响应变化趋势和（k，l）等效电路

图6. DSL-4传感器的可穿戴应用:（a，b）佩戴血压计袖带时对桡动脉信号的监测;（c，d）从指尖捕获的脉冲信号实时波形;（e，f）通过将DSL-4传感器固定到指关节来检测手指弯曲角度；（g，h）区分在初始压力下对体重60 kg的受试者施加和移除500 ml瓶装水的过程

图7. 压力传感器阵列的设计及其在步态分析中的应用:（a）4×11像素压力传感器阵列的结构示意图;（b）无线足底压力分布检测系统照片;（c）无线步态检测系统的组成部分;（d）足部可分为三个区域：前掌、足中部和脚跟，以及相应的足底压力分布谱图;（e）下蹲过程中的足底压力分布谱图，分为三种情况：前倾、居中和后倾；（f）一个完整步态周期的足底压力分布谱图，从跟足触地到前掌触地过程

该工作以“Janus Conductive Mechanism: An Innovative Strategy Enabling Ultra-Wide Linearity Range Pressure Sensing for Multi-Scenario Applications”为题发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials。吉林大学电子科学与工程学院鼎新博士后林修竹为第一作者，通讯作者为张彤教授和赵红然副教授。上述工作是该团队近期关于可穿戴柔性传感器的最新进展之一。吉林大学微纳传感材料与器件实验室（SMDLAB）长期致力于面向工业生产安全、环境污染、人体健康以及家居环境等领域的气体、湿度、压力、温度、生物分子等传感检测，开展微纳米传感材料的设计和制备、传感器的结构设计以及应用开发。相关成果还发表在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。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202316314

课题组网站链接：http://smdlab.jlu.edu.cn

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（责任编辑：xu）

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