當(dāng)前，柔性壓力傳感器在健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、智能假肢及電子皮膚等前沿領(lǐng)域不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)推動(dòng)下，其應(yīng)用深度持續(xù)拓展，特別是在復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但當(dāng)前仍存在一些挑戰(zhàn)：當(dāng)傳感器處于高壓環(huán)境下，其內(nèi)部介質(zhì)材料的壓縮模量急劇增加，致使器件靈敏度快速衰減，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用進(jìn)程。在此背景下，研發(fā)兼具大量程、高靈敏度和快速響應(yīng)／恢復(fù)的新型柔性壓力傳感器，已成為重要研究方向。 近日，廈門大學(xué)吳德志教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)了一種基于金屬顆粒與聚合物的復(fù)合納米纖維膜的電容式柔性壓力傳感器，能夠在1.5 MPa的寬壓力范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。該項(xiàng)工作采用靜電自組裝的方法將尖刺N(yùn)i顆粒吸附進(jìn)多孔的聚酰亞胺納米纖維膜內(nèi)部，以此構(gòu)建尖刺N(yùn)i／PI復(fù)合納米纖維膜介電層，相較于純聚酰亞胺納米纖維膜，其傳感器靈敏度提升了4倍以上。同時(shí)配備了小尺寸可拓展式的電容式陣列傳感器及其采集系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，傳感器表現(xiàn)出超過1000次循環(huán)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和快速的響應(yīng)／恢復(fù)時(shí)間（30／40 ms）。其卓越的性能表明該傳感器可應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、睡姿監(jiān)測(cè)和足底壓力測(cè)量等多種場(chǎng)景，在可穿戴系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。該項(xiàng)工作以“High-performance flexible capacitive pressure sensor based on a spiked nickel/polyimide composite nanofiber membrane”為題，發(fā)表在期刊《ACS Sensors》上。 ? 通過靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維膜并使用紫外激光切割將其加工為所需尺寸的圓形膜。隨后，采用絲網(wǎng)印刷法在上下電極表面形成圖案化分布的環(huán)氧樹脂膠粘劑層，并將納米纖維膜轉(zhuǎn)移至定制壓縮電極上下壓板中，使壓板保持穩(wěn)定接觸狀態(tài)，待膠水完成固化后，最終形成如圖1d所示的雙點(diǎn)柔性壓力傳感器。? ? 圖1：傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其制備工藝 將尖刺N(yùn)i顆粒和PI納米纖維膜分別放入CTAB溶液和SDS溶液中，隨后將PI納米纖維膜放入CTAB溶液，通過陰離子和陽離子的吸附，觀察到尖刺N(yùn)i顆粒吸附在納米纖維膜之間，得到尖刺N(yùn)i／PI復(fù)合納米纖維膜。 圖2：尖刺N(yùn)i/PI納米纖維膜的制備方法 ? 圖3：基于尖刺N(yùn)i／PI復(fù)合納米纖維膜柔性壓力傳感器的傳感性能 圖4：電容式柔性壓力傳感器在健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

圖5：小尺寸柔性壓力傳感器陣列在足底壓力檢測(cè)上的實(shí)際應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法制備的傳感器具有良好的傳感性能，快速響應(yīng)／恢復(fù)時(shí)間30／40 ms、壓力檢測(cè)范圍~1.5 MPa，500 kPa下重復(fù)1000次循環(huán)機(jī)械穩(wěn)定性良好。此外，通過設(shè)計(jì)可擴(kuò)展的傳感器陣列，可針對(duì)各種壓力監(jiān)測(cè)應(yīng)用進(jìn)行定制，例如人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、睡姿監(jiān)測(cè)和足底壓力監(jiān)測(cè)。 論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssensors.4c03495 審核編輯 黃宇