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東華大學王華平/陳仕艷《ACS Nano》：電阻電容雜化響應增強的柔性纖維壓力傳感器

2023-08-02 來源：高分子科技

在柔性壓力傳感器領域，受壓力增加所引起的材料模量增加的影響，傳感器的靈敏度會隨壓力增加出現明顯衰減。由于結構設計的限制導致這一影響在纖維壓力傳感器上表現更加明顯。這種靈敏度的衰減無疑在很大程度上限制了柔性傳感器的應用范圍。

圖1雜化響應纖維壓力傳感器

近期，針對此問題東華大學王華平教授團隊利用濕法紡絲和涂層工藝制備了三層皮芯結構（圖1）。通過調控中間層復合材料的電學性質以達到電阻電容雜化響應，并利用此雜化響應優化了傳感器的靈敏度尤其是高壓力范圍下的靈敏度。與其他類型傳感器相比較，雜化響應有效減緩了傳感器靈敏度的衰減（圖2）。進一步根據壓阻層可能存在的導電通路推導出傳感器的等效電路，并對等效電路的理論值與實驗值進行模擬確認其雜化響應行為和雜化響應的觸發區間（圖3）。最后，探究了該傳感器對不同壓力下的脈搏監測能力。這項工作利用雜化響應優化了電容式纖維壓力傳感器的靈敏度，拓寬了柔性纖維壓力傳感器的應用場景。該工作以“Highly Sensitive Fiber Pressure Sensors over a Wide Pressure Range Enabled by Resistive-Capacitive Hybrid Response”為題發表在《ACS Nano》上。文章第一作者是東華大學材料科學與工程學院2022級博士研究生屈向陽。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖2基于不同中間層復合材料的四種電容響應模型。（a）四種電容響應模型的照片和截面示意圖；（b）四種響應模型的電壓降有限元模擬；（c）四種電容響應模型的電容變化機理圖；（d）四種不同電容模型的應力/壓縮應變曲線。

圖3 雜化響應纖維傳感器的電容響應行為及理論分析。（a）傳感器電容值隨壓力變化；（b）傳感器相對電容隨壓力變化；（c）傳感器的歸一化靈敏度與壓力的關系；（d）三種可能的HFPSs等效電路；DCPS（e）、HFPS₂（f）、HFPS_2.5（g）、HFPS₃（h）的理論和實驗電容變化；（i）HFPS_2.5的雜化響應壓力范圍；（j） HFPS_2.5中電阻和電容的電流分數；（k）HFPS_2.5與近年報道的電容式纖維壓力傳感器的靈敏度對比。

基于濕法紡絲制備的柔性電阻式應變傳感器的工作基礎（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 29167?29175，該工作是團隊近期關于在纖維傳感器相關研究的最新進展之一。團隊曾系統探索了細菌纖維素的溶解條件和紡絲條件對纖維性能的影響，以及超級電容器以及水傳感器應用的探究（Chem. Eng. J. 2022, 427, 131904；ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 21319?21329）。此外，在壓力傳感方面，團隊探究了基于細菌纖維素基體的直纖維和螺旋纖維交叉結構用于壓力和距離傳感的研究（ACS Nano 2020, 14, 15428–15439；Nano Energy 2023, 113, 108598）。接下來團隊將對纖維的智能化的開發以及應用研究進行進一步的深入探索。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03484

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（責任編輯：xu）

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