上海工程技术大学宋仕强副教授《Nano Energy》：仿生策略用于构建高灵敏度和宽压力范围的压力传感器

2022-07-05 来源：高分子科技

一般来说，压力传感器的高灵敏性与宽检测范围往往不能兼得。例如，在柔性材料表面引入分层微结构可以有效提高压力传感器的灵敏度，但由于微结构的可压缩性有限，只有在较低的压力范围才能产生高灵敏度，因此制备一种在宽压力范围内高灵敏度的柔性压力传感器是一项重大挑战。

鉴于此，上海工程技术大学宋仕强副教授与其研究生张翠芬, 基于在应力应变传感器领域(J. Mater. Chem. A, 2021,9, 3931; J. Mater. Chem. C, 2021, 9, 15337; Eur. Polym. J., 2022, 164: 110980)的研究基础，受壁虎触角和人体骨骼结构启发，设计制备了一种分层梯度结构，可以同时提高灵敏度和拓宽压力工作范围并确保长时间使用时的信号稳定性。这种传感器具有半球阵列和梯度孔隙结构，允许其从微小压力到高压力区域内发生大幅度变形，显著提高了传感器在形变压力范围内的灵敏度。该传感器在0~1.9 kPa压力范围内敏感度可达102.3 kPa^-1，压力检测范围为0~400 kPa，且具备响应迅速 (35 ms)和良好的信号稳定性(>5000)等特点。通过简单的制备方法和结构设计实现了压力传感器高灵敏度和宽压力工作范围，使其实际应用范围广泛。

通常而言，压力传感器在压力作用下电阻、电流或电容的变化大小是直接影响其灵敏度的一个关键因素。然而，用于制造压力传感器的软材料或多孔聚合物是不可压缩或有限可压缩的，因此压力工作范围和灵敏度提高有限。在本研究中，作者在一个传感器中同时引入分层和梯度多孔结构，这种结构使传感器在宽压力范围内(0~400 kPa)产生压缩形变；另外，在其表面引入半球微孔结构，使得传感器在低应力下具有高的灵敏度且有助于其在较宽压力范围下灵敏度的提高。

图1 材料设计原理及制备过程

图2 HGA的形态及数据模拟

图3 传感性能测试及对比

图4 传感器对于不同压力的感知信号

相关工作以“Bioinspired Engineering of Gradient and Hierarchical Architecture into Pressure Sensors toward High Sensitivity within Ultra-broad Working Range”为题发表在国际知名期刊《Nano Energy》上（影响因子19.069）。本研究获得国家自然科学基金青年基金（52003151）的支持。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522005900

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（责任编辑：xu）

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