西南交大研發高靈敏度和寬壓力檢測范圍的柔性傳感器

具有出色力-電轉換能力的靈活、可穿戴壓力傳感器在個人醫療保健監控、人機交互、智能機器人和運動檢測等領域有著廣泛的應用前景。與壓阻式、壓電電容式、壓電式、和摩擦式傳感器相比，壓阻式傳感器因其結構簡單、成本效益高和易于制造而得到了廣泛的發展。盡管在壓阻傳感器的靈敏度、檢測極限、靈活性和穩定性方面已經取得了相當大的進步，但是仍然非常希望同時實現高靈敏度和寬線性檢測范圍。

受玫瑰花瓣微結構的啟發，西南交通大學材料科學與工程學院楊維清等報道了一種兼具有高靈敏度和寬壓力檢測范圍的柔性壓阻式壓力傳感器。得益于夾在分級聚苯胺/聚偏氟乙烯納米纖維(HPPNF)膜之間的互鎖微體結構，這種生物電子器件呈現出優異的機械柔性和電性能，具有53 kPa?1的超高靈敏度、58.4至960 Pa的壓力檢測范圍、38ms的快速響應時間以及超過50，000次循環的出色循環穩定性。

文章亮點：

1.HPPNF膜制備—首先將隨機取向的聚偏氟乙烯納米纖維靜電紡絲作為核殼聚偏氟乙烯/聚苯胺納米纖維網絡的框架。隨后，采用遠程氬氧等離子體修飾策略來改善所得納米纖維的親水性。這些大大改進的親水性聚偏氟乙烯納米纖維可以完全浸入水溶液中，聚苯胺納米線可以原位氧化聚合聚偏氟乙烯納米纖維的表面。

基于PVDF/PANI納米纖維的柔性可穿戴壓力傳感器的制備工藝、機理和光學成像

2. 通過長期的自然選擇，分層的微觀結構已經從自然的機械適應中發展出來，具有微體結構的分層圖案化PDMS膜是通過模仿玫瑰花瓣的結構制造的。首先，作為犧牲層，從玫瑰花瓣的表面復制反向微結構的聚乙烯醇膜。制備的聚乙烯醇薄膜顯示出均勻的蜂窩狀孔。在PDMS薄膜上壓印出反向結構后，成功獲得花瓣的微結構。金電極被濺射到微圖案化的PDMS膜層的表面上。兩個生物傳感微結構電極夾在納米纖維膜之間，以構建分級結構的壓阻傳感器。受益于大量的導電路徑和變形放大效應，所設計的壓阻傳感器顯示出優異的電性能。

分級PVDF/PANI納米纖維和分級圖案化PDMS薄膜的表征

3. 為了闡明所設計的多尺度柔性壓力傳感器的傳感機理，構建了傳感器的幾何模型。使用抽象的球-棒模型通過有限元方法(FEM)分析來探索應力和應變分布。與平面結構相比，微體結構電極可以極大地擴大聚苯胺納米纖維的倍增應變接觸面積，具有優異的柔韌性。當器件受壓時，接觸面積顯著擴大的微體結構電極將顯著降低電阻。壓力釋放后，電阻將迅速恢復到其初始狀態，這種壓阻效應與有限元分析結果非常一致。

柔性壓力傳感器的傳感機制

4. 基于優異的電性能，這種靈活的傳感器可以成功地監測微妙的信號和身體運動，顯示出快速，實時，非侵入性的人體健康評估的潛在應用。由于傳感器和人體表皮之間的共形接觸，手腕脈搏、呼吸、喉嚨振動以及手指、肌肉、脊柱和步態運動信號的生理信號以清晰的電流曲線的形式被有效地檢測到。

利用研制的柔性傳感器監測人體生理信號和運動