基于高強度導電水凝膠的線性高靈敏度應變傳感器

隨著智能終端的普及，可穿戴柔性電子設(shè)備呈現(xiàn)出巨大的市場前景。柔性應變傳感器作為柔性電子器件的核心部件，在電子皮膚、人體健康監(jiān)測、植入式設(shè)備、人機交互系統(tǒng)等方面有廣闊的應用前景，已成為水凝膠材料領(lǐng)域的重點研究方向。在實際應用中，確保傳感信號的靈敏度和可靠性非常重要，這對水凝膠的應變靈敏度和線性響應提出了很高的要求，也是當前大多數(shù)水凝膠應力應變傳感器面臨的重要瓶頸問題。如何在實現(xiàn)高可拉伸性的同時保證線性高靈敏度仍是目前面臨的挑戰(zhàn)。其關(guān)鍵在于合理地設(shè)計水凝膠網(wǎng)絡(luò)和導電網(wǎng)絡(luò)，并在二者之間構(gòu)筑協(xié)同響應機制，既獲得高強度韌性，又使導電網(wǎng)絡(luò)隨著應變而發(fā)生及時響應，從而獲得高靈敏度。

中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員付俊團隊研發(fā)了一種基于高強度導電水凝膠的線性高靈敏度應變傳感器。其使用的導電凝膠是由柔性的丙烯酰胺-甲基丙烯酸羥乙酯共聚物（P(AAm-co-HEMA)）與原位生成的剛性聚苯胺（PANI）組成的半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，其中P(AAm-co-HEMA)與PANI之間依靠氫鍵作用實現(xiàn)柔性絕緣網(wǎng)絡(luò)與剛性導電網(wǎng)絡(luò)之間的緊密結(jié)合（圖1a）?；谶@樣的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖1b，1c和1d），聚苯胺在該體系中的閾值僅為0.5wt/vol%，即可獲得高電導率。這一數(shù)值遠小于文獻報道的碳材料或金屬材料在柔性應變傳感器中的應用量。低含量聚苯胺顯著提升了導電凝膠的拉伸韌性（9.19MJ/m3），比母體PAAm-co-HEMA凝膠提高了11倍，電導率提高至8.14S/m（接近純聚苯胺凝膠體系的11s/m）。這種依靠可逆的氫鍵作用結(jié)合的互穿網(wǎng)絡(luò)使得凝膠對循環(huán)載荷具有優(yōu)異的抗疲勞性（0-200%大應變循環(huán)100次后電性能仍穩(wěn)定），在0-300%的大拉伸應變下靈敏度穩(wěn)定在1.48（圖2a），對應變具有極高的敏感性（0.23%的壓縮應變下靈敏度為11，圖2b）。

圖1 （a）PANI/P(AAm-co-HEMA)水凝膠的合成示意圖；（b）P(AAm-co-HEMA)水凝膠SEM圖像；PANI/P(AAm-co-HEMA)水凝膠的（c）SEM圖和（d）CLSM圖像

圖2 PANI/P(AAm-co-HEMA)水凝膠拉伸（a）以及壓縮（b）下電阻變化率-應變曲線

PANI/PAAm-co-HEMA凝膠具有優(yōu)異的傳感性能，被成功用于監(jiān)測人體運動或生理信號，包括脈搏，聲帶震動以及關(guān)節(jié)運動等。其中凝膠傳感器可以清晰地識別手腕的彎曲角度(圖3a)、聲帶的震動波形、幅度與頻率（圖3b）以及脈搏波形（圖3c）。值得一提的是，該傳感器可準確檢測到典型的脈搏雙峰波型，這一細微的雙峰特征是由左心室收縮引起的血壓和身體的反射波形成的，其比值P1/P2是動脈硬化的診斷指標。此外，科研人員還構(gòu)筑了超靈敏凝膠傳感器陣列，模擬人體皮膚的二維信號感知特征，能及時、準確地反映陣列表面微小的應力刺激，每個陣列單元可分別獨立記錄應力變化，并以電信號形式輸出（圖4）。

圖3 PANI/P(AAm-co-HEMA)凝膠應變傳感器用于檢測手腕彎曲（a）、聲帶震動（b）以及脈搏（c）

圖4 PANI/P(AAm-co-HEMA)凝膠組裝的傳感器陣列（a）以及細節(jié)圖（b，c）；（d）當手指同時按在傳感器陣列的B3、E3、B6和E6上時，各傳感器電阻變化結(jié)果；(e)當測試者在陣列上寫下“CNiTECH”，各個凝膠對應的電信號結(jié)果

該成果以Ultra Stretchable Strain Sensors and Arrays with High Sensitivity and Linearity Based on Super Tough Conductive Hydrogels 為題發(fā)表在Chemistry of Materials上（2018, DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03999），付俊為通訊作者。相關(guān)技術(shù)已經(jīng)申請了中國發(fā)明專利（CN 201710073869.2）。