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  柔性電阻式壓力傳感器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、制造工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)在智能可穿戴器件設(shè)計(jì)當(dāng)中展示了廣闊的應(yīng)用潛力。然而常規(guī)電阻式壓力傳感器多具有厚度薄、面積大的特性，其靈敏度普遍很低且響應(yīng)速度和感應(yīng)下限都需進(jìn)行大幅提升。近幾年，研究者通過(guò)在電阻式壓力傳感器的傳感層進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有解決了該類(lèi)壓力傳感器存在的上述問(wèn)題。但微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多涉及刻蝕、濺射等工藝，整個(gè)過(guò)程對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求較高，因此，利用相對(duì)簡(jiǎn)單的工藝制備具有微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高性能電阻式壓力傳感器仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

  基于上述挑戰(zhàn)，王潮霞教授團(tuán)隊(duì)首先制備了一種羧基改性的P(St-MAA)微球(1c和1d)，然后利用靜電吸附吡咯單體后進(jìn)行原位聚合獲得高導(dǎo)電的P(St-MAA)@PPy微球(1e和1f)。這些導(dǎo)電微球粒徑相對(duì)均勻，表面包覆一定厚度（約為14 nm）聚吡咯（PPy）。通過(guò)將其壓片(1h和1i)，測(cè)得其表面電導(dǎo)率高達(dá)0.21 S/cm，斷面形貌發(fā)現(xiàn)大量的P(St-MAA)@PPy微球緊密的接觸在一起（1j-1l），這時(shí)微球表面的PPy可形成大量的導(dǎo)電路徑。這項(xiàng)研究工作為高導(dǎo)電微球的設(shè)計(jì)提供了一種新策略。

圖1. 自制氧化石墨烯的水分散液(a)及SEM(b)。自制P(St-MAA)微球的水分散液(c)及SEM(d)。自制P(St-MAA)@PPy微球的乙醇分散液(e)，SEM（f）和TEM（g）。P(St-MAA)@PPy微球薄片的尺寸(h和i)、橫截?cái)嗝?j)及SEM(k和l)。

  在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)又以熱塑性聚氨酯（TPU）靜電紡絲膜為基材，吸附自制的氧化石墨烯（GO，1a和1b）后還原獲得導(dǎo)電rGO/TPUEM。然后利用rGO和PPy之間存在的π-π堆積和形成氫鍵的作用，將P(St-MAA)@PPy導(dǎo)電微球吸附在rGO/TPU靜電紡絲纖維表面形成橋連結(jié)構(gòu)，最后將制備的P(St MAA)@PPy/rGO/TPUEM放置在一個(gè)叉指電極上用PDMS膜進(jìn)行封裝，構(gòu)建成P(St-MAA)@PPy/rGO/TPUEM壓力傳感器，其制備流程如圖2所示。通過(guò)對(duì)TPUEM、rGO/TPUEM和 5.0-P(St-MAA)@PPy/rGO/TPUEM的表面形貌（圖3a-c）進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，TPU靜電紡絲纖維表面被rGO和P(St MAA)@PPy微球所包覆，5.0-P(St-MAA)@PPy/rGO/TPUEM截面SEM圖片(圖3d)可看到: rGO和P(St MAA)@PPy微球形成了大量的橋連結(jié)構(gòu)，這不僅增加了P(St-MAA)@PPy/rGO/ TPUEM內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)密度，還在P(St-MAA)@PPy/rGO/TPUEM內(nèi)部形成了大量的微球結(jié)構(gòu)。P(St-MAA)@PPy/rGO/TPUEM受壓過(guò)程中，可通過(guò)rGO和P(St MAA)@PPy的有效接觸面積改變，提升P(St MAA)@PPy/rGO/TPUEM壓力傳感器的靈敏度，加之TPU靜電紡絲膜本身特殊的三維多孔結(jié)構(gòu)、高彈性、薄厚度和大比表面積，該壓力傳感器的響應(yīng)速度和感應(yīng)下限也得到了明顯提升。此外，TPUEM、GO、rGO、rGO/TPUEM和P(St-MAA)@PPy/ rGO/TPUEM的FT-IR光譜(圖3e)、XRD圖譜(圖3f)和Raman光譜(圖3g)也進(jìn)一步驗(yàn)證了rGO和P(St MAA)@PPy微球在TPU靜電紡絲膜表面的吸附，且隨著P(St-MAA)@PPy微球濃度的增加，其特征峰有不同程度的增強(qiáng)。

圖2. P(St MAA)@PPy/rGO/TPUEM傳感器構(gòu)建示意圖。

圖3. (a)TPUEM、(b) rGO/TPUEM和 (c) 5.0-P(St-MAA)@PPy/rGO/TPUEM表面的SEM和橫截面SEM圖片。TPUEM、GO、rGO、rGO/TPUEM和P(St-MAA)@PPy/rGO/TPUEM的FT-IR光譜(e)、XRD圖譜(f)和Raman光譜(g)。

圖4. (a) P(St-MAA)@PPy/rGO/TPUEM壓力傳感器的I/I0和S。(b) 5.0-P(St-MAA)@PPy/ rGO/TPUEM壓力傳感器在~0.4 kPa時(shí)的I-V曲線，電流單位為mA，（c）各種壓力下電流變化曲線，（d）感受一片紙（約12.4 mg）產(chǎn)生的壓力，（e）手指觸摸的響應(yīng)和恢復(fù)曲線，（f）3.0 kPa下1650次循環(huán)。

  P(St-MAA)@PPy/rGO/TPUEM壓力傳感器的傳感性能(圖4)顯示：與先前報(bào)道的大多數(shù)基于靜電紡絲膜的壓力傳感器相似，S曲線也呈現(xiàn)三個(gè)具有不同斜率的線性區(qū)域，且隨著吸附P(St-MAA)@PPy微球含量的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。5.0-P(St-MAA)@PPy/rGO/TPUEM壓力傳感器的靈敏度最高可達(dá)到13.65 kPa^?1(~3.75 kPa)，明顯優(yōu)于文獻(xiàn)中絕大部分以靜電紡絲膜為基材的壓力傳感器。此外，該壓力傳感器在1.0V的低工作電壓下可有效地檢測(cè)0.94 pa的小壓力，響應(yīng)時(shí)間接近37 ms，循環(huán)穩(wěn)定性好。得益于這些優(yōu)異的性能，該壓力傳感器可被用于監(jiān)測(cè)人體的生理信號(hào)和運(yùn)動(dòng)(圖5)，如脈搏、面部肌肉和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等。這表明王潮霞教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的P(St-MAA)@PPy/rGO/TPUEM壓力傳感器在人體健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。該工作對(duì)高性能柔性壓力傳感器的構(gòu)建提供了一條新的思路。

圖5. 5.0-P(St-MAA)@PPy/ rGO/TPUEM壓力傳感器的人體生理信號(hào)和運(yùn)動(dòng)檢查演示效果。

  相關(guān)工作近期以“A high-performance piezoresistive sensor based on poly (styrene-co-methacrylic acid)@polypyrrole microspheres/graphene-decorated TPU electrospun membrane for human motion detection”為題，在期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表。江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院博士生程浩南為該論文的第一作者，江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院王潮霞教授為通訊作者，共同通訊作者為江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院(無(wú)錫分院)楊永強(qiáng)博士。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金(21975107)、中央大學(xué)基礎(chǔ)研究基金（JUSRP51724B）、江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院科研項(xiàng)目基金(KJ(Y)2020036)等的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131152

  Haonan Cheng ^a, Bo Wang ^a, Kun Yang ^a, Yong Qiang Yang ^{b, *}, Chaoxia Wang ^{a, *}. A high-performance piezoresistive sensor based on poly (styrene-co-methacrylic acid)@polypyrrole microspheres/graphene-decorated TPU electrospun membrane for human motion detection. Chemical Engineering Journal,2021,131152.

  下載：A high-performance piezoresistive sensor based on poly (styrene-co-methacrylic acid)@polypyrrole microspheres/graphene-decorated TPU electrospun membrane for human motion detection