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東華大學(xué)王華平/陳仕艷《ACS Nano》：電阻電容雜化響應(yīng)增強(qiáng)的柔性纖維壓力傳感器
2023-08-02  來源：高分子科技

  在柔性壓力傳感器領(lǐng)域，受壓力增加所引起的材料模量增加的影響，傳感器的靈敏度會(huì)隨壓力增加出現(xiàn)明顯衰減。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制導(dǎo)致這一影響在纖維壓力傳感器上表現(xiàn)更加明顯。這種靈敏度的衰減無疑在很大程度上限制了柔性傳感器的應(yīng)用范圍。


圖1雜化響應(yīng)纖維壓力傳感器


  近期，針對(duì)此問題東華大學(xué)王華平教授團(tuán)隊(duì)利用濕法紡絲和涂層工藝制備了三層皮芯結(jié)構(gòu)（圖1）。通過調(diào)控中間層復(fù)合材料的電學(xué)性質(zhì)以達(dá)到電阻電容雜化響應(yīng)，并利用此雜化響應(yīng)優(yōu)化了傳感器的靈敏度尤其是高壓力范圍下的靈敏度。與其他類型傳感器相比較，雜化響應(yīng)有效減緩了傳感器靈敏度的衰減（圖2）。進(jìn)一步根據(jù)壓阻層可能存在的導(dǎo)電通路推導(dǎo)出傳感器的等效電路，并對(duì)等效電路的理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行模擬確認(rèn)其雜化響應(yīng)行為和雜化響應(yīng)的觸發(fā)區(qū)間（圖3）。最后，探究了該傳感器對(duì)不同壓力下的脈搏監(jiān)測能力。這項(xiàng)工作利用雜化響應(yīng)優(yōu)化了電容式纖維壓力傳感器的靈敏度，拓寬了柔性纖維壓力傳感器的應(yīng)用場景。該工作以“Highly Sensitive Fiber Pressure Sensors over a Wide Pressure Range Enabled by Resistive-Capacitive Hybrid Response”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。文章第一作者是東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級(jí)博士研究生屈向陽。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。 


圖2基于不同中間層復(fù)合材料的四種電容響應(yīng)模型。（a）四種電容響應(yīng)模型的照片和截面示意圖；（b）四種響應(yīng)模型的電壓降有限元模擬；（c）四種電容響應(yīng)模型的電容變化機(jī)理圖；（d）四種不同電容模型的應(yīng)力/壓縮應(yīng)變曲線。 


圖3 雜化響應(yīng)纖維傳感器的電容響應(yīng)行為及理論分析。（a）傳感器電容值隨壓力變化；（b）傳感器相對(duì)電容隨壓力變化；（c）傳感器的歸一化靈敏度與壓力的關(guān)系；（d）三種可能的HFPSs等效電路；DCPS（e）、HFPS2（f）、HFPS2.5（g）、HFPS3（h）的理論和實(shí)驗(yàn)電容變化；（i）HFPS2.5的雜化響應(yīng)壓力范圍；（j） HFPS2.5中電阻和電容的電流分?jǐn)?shù)；（k）HFPS2.5與近年報(bào)道的電容式纖維壓力傳感器的靈敏度對(duì)比。


  基于濕法紡絲制備的柔性電阻式應(yīng)變傳感器的工作基礎(chǔ)（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 29167?29175，該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于在纖維傳感器相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。團(tuán)隊(duì)曾系統(tǒng)探索了細(xì)菌纖維素的溶解條件和紡絲條件對(duì)纖維性能的影響，以及超級(jí)電容器以及水傳感器應(yīng)用的探究（Chem. Eng. J. 2022, 427, 131904；ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 21319?21329）。此外，在壓力傳感方面，團(tuán)隊(duì)探究了基于細(xì)菌纖維素基體的直纖維和螺旋纖維交叉結(jié)構(gòu)用于壓力和距離傳感的研究（ACS Nano 2020, 14, 15428–15439；Nano Energy 2023, 113, 108598）。接下來團(tuán)隊(duì)將對(duì)纖維的智能化的開發(fā)以及應(yīng)用研究進(jìn)行進(jìn)一步的深入探索。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03484

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