基于周期性微縫的柔性壓力傳感器實現(xiàn)超高應力耐受性

應力耐受性在確保用于柔性壓力傳感器的壓阻傳感膜的有效性方面起著至關重要的作用。然而，現(xiàn)有提高應力耐受性的方法包括在復雜的成型和脫模過程中使用圓頂形、褶皺形和金字塔形微結構，這帶來了巨大的制造挑戰(zhàn)并限制了傳感性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，西安交通大學的研究人員在由多壁碳納米管（MW-CNT）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的傳感膜中引入周期性微縫（microslit），實現(xiàn)了超高的應力耐受性（理論最大值為2.477 MPa）和18.092 kPa?1的靈敏度。周期性微縫允許在高壓（例如400 kPa）下大范圍變形，以擴大檢測范圍?；谖⒖p策略的傳感器在風向檢測、機器人運動傳感和人體健康監(jiān)測方面的實驗驗證了該方案的有效性。在這些實驗中，在超過400 kPa的超高壓和接觸面積占總面積的比例為32.74%的情況下，實現(xiàn)了車輛載荷檢測。結果表明，本論文所提出的微縫策略在簡化微結構傳感膜制備復雜性的同時，可以實現(xiàn)超高的應力耐受性。相關研究成果以“Flexible pressure sensors with ultrahigh stress tolerance enabled by periodic microslits”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

在這項研究中，所提出的傳感器包括柔性電極、支撐層和粘合層、傳感膜和保護層。使用MW-CNT和PDMS的混合物，采用絲網(wǎng)印刷技術制備傳感膜。該方法允許對傳感膜進行直接的圖案化和排列。通過將微縫引入具有不同MW-CNT/PDMS重量比的傳感膜中，觀察到了各種不同的周期性微縫形態(tài)?；谘芯拷Y果，微縫和MW-CNT/PDMS的協(xié)同作用主導了傳感形態(tài)的轉變。

傳感器結構和傳感膜的表征

基于微縫和亞微結構在傳感性能上的協(xié)同作用，所制造的傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，例如實現(xiàn)了400 kPa的超高應力耐受性，理論最大應力耐受性為2.477 MPa，以及在0-10 kPa壓力范圍內的靈敏度為18.092 kPa?1。該傳感膜在外加壓力作用下能夠有效地適應變形并實現(xiàn)應力消除，從而擴大檢測范圍。此外，薄膜位移向各個方向均勻擴展，相鄰單元之間形成額外的接觸，從而提高了靈敏度。通過超過50,000次加載/卸載循環(huán)的實驗，證明了本文所提出傳感器的優(yōu)異穩(wěn)定性。

本文所提出的具有MW-CNT/PDMS（0.2:1）傳感膜的傳感器性能

在實際應用中，即使在超過400 kPa的壓力下，所提出的傳感器仍然可以保持穩(wěn)定的功能。結果表明，傳感膜中的微縫有利于在超高壓下保持結構變形，實現(xiàn)優(yōu)異的耐壓能力。在傳感膜中構造微縫是一種實現(xiàn)準確、靈敏、實時的環(huán)境大氣監(jiān)測、人體健康疾病診斷和負荷檢測的可行策略。

本文所提出傳感器的實際應用

總而言之，研究人員成功制備了一種具有周期性微縫的MW-CNT/PDMS壓阻傳感膜?；谖⒖p和亞微結構在傳感性能上的協(xié)同效應，實現(xiàn)了超高的應力耐受性（理論最大值為2.477 MPa），和18.092 kPa?1的靈敏度。在評估所提出的傳感器在檢測弱風信號、支持健康監(jiān)測和檢測車輛負載方面的性能的測試中，實驗驗證了所提出的傳感器在實際應用中的有效性。這項研究為具有超高應力耐受性的柔性器件的設計和制造提供了有價值的見解，從而有助于實現(xiàn)未來無處不在的多樣化壓力監(jiān)測。

審核編輯：劉清