柔性壓力傳感器是柔性電子技術(shù)的重要組成部分，能夠為可穿戴設(shè)備提供生理監(jiān)測，也能為軟機器人提供觸覺感知。柔性壓力傳感器不僅要求滿足可穿戴設(shè)備的日常應(yīng)用需求，在某些情況下甚至需要應(yīng)用在極為苛刻的工作環(huán)境中，例如高溫。但構(gòu)造具有這樣功能的柔性傳感器件卻非常具有挑戰(zhàn)性。一般聚合物無法耐受300 ℃以上的高溫；此外，在較高溫度下，聚合物的粘彈性變化會導(dǎo)致器件在長時間工作條件下的性能衰減。陶瓷材料具有耐高溫耐腐蝕等優(yōu)異的理化特性，但是陶瓷材料自身的脆性限制了其在柔性電子器件的應(yīng)用。
為了解決上述問題，最近，南方科技大學(xué)材料系郭傳飛團隊和物理系趙悅團隊合作在知名期刊《Advanced Science》上發(fā)表了題為“A Highly Sensitive, Reliable,and High-Temperature-Resistant Flexible Pressure Sensor Based on CeramicNanofibers”的通訊論文，報道了一種基于陶瓷納米纖維的柔性壓力傳感器，展現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能、耐用性、透氣性和耐高溫性能。
研究人員利用靜電紡絲法制備得到一種具有良好力學(xué)柔性的TiO2納米纖維薄膜材料，纖維的平均直徑為120 nm。研究人員對該TiO2納米纖維薄膜以及具有相同厚度的PVDF和PVA納米纖維薄膜進行了應(yīng)變?yōu)?0%的循環(huán)壓縮測試。在100次循環(huán)后，TiO2薄膜的殘余塑性形變量為2.2％，而PVDF和PVA的殘余應(yīng)變則分別為7.0％和8.4％。經(jīng)過100次壓縮循環(huán)后，TiO2納米纖維薄膜保持了初始最大應(yīng)力的85％以上，相比之下，PVDF和PVA薄膜僅為48%和20%。
鑒于TiO2納米纖維薄膜優(yōu)異的力學(xué)性能，研究人員測試了基于不同厚度的TiO2納米纖維薄膜的柔性壓力傳感器的靈敏度、檢測極限、響應(yīng)/弛豫時間和循環(huán)穩(wěn)定性，并與相同厚度的聚合物納米纖維薄膜傳感器進行對比。測試結(jié)果表明，TiO2傳感器具有高達4.4 kPa-1的靈敏度、16 ms的響應(yīng)時間、0.8 Pa的檢測限和大于五萬次的壓縮循環(huán)穩(wěn)定性。
高孔隙率的陶瓷納米纖維薄膜作為介電層具有良好的透氣性能。研究人員利用噴涂銀納米線的織物作為柔性電極，制備得到一種透氣可穿戴的柔性壓力傳感器，其水蒸汽透過率達到835 mL m2?h-1，能夠很好地滿足人體皮膚對于透氣的要求。同時，該傳感器可以很好地反映人體的健康狀態(tài)和運動情況，將其貼合在人體的不同部位（手腕、眼瞼、頸部、胸前、食指關(guān)節(jié)、聲帶）可以得到不同的生理數(shù)據(jù)，包括受試者運動前后的橈動脈脈搏、呼吸脈搏、頸動脈脈搏；同時可以實現(xiàn)人體運動監(jiān)測，如眨眼、手指彎曲，以及發(fā)聲引起的聲帶微弱振動等。
此外，這種陶瓷納米纖維薄膜具有優(yōu)異的耐高溫特性。以該陶瓷納米纖維薄膜作為介電層，研究人員制備得到了一種能夠耐受約1300 ℃瞬時高溫并測試了其在370 ℃下的響應(yīng)。在370 ℃高溫下和1300 ℃灼燒后其最大靈敏度分別為0.028 kPa-1和0.006 kPa-1，并在循環(huán)測試表現(xiàn)出性能的一致性和穩(wěn)定性。
小結(jié)
綜上，研究人員制備得到一種輕質(zhì)、透氣的陶瓷納米纖維薄膜材料，這種材料具有優(yōu)異的循環(huán)壓縮力學(xué)性能。利用該陶瓷納米纖維作為介電層制備的柔性電容型傳感器，具有較高的靈敏度（4.4 kPa?1），較低的檢測極限（0.8 Pa），快速的響應(yīng)速度（16 ms），以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（5萬次循環(huán)測試）。同時，以陶瓷納米纖維薄膜作為介電層制備得到的高透氣性壓力傳感器作為可穿戴設(shè)備，可以用于人體生理監(jiān)測和運動檢測。此外，結(jié)合高溫電極，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)在370 ℃的高溫條件下長時間工作，使柔性傳感器在極端高溫環(huán)境下的應(yīng)用成為可能。
論文的第一作者為物理系碩士研究生付敏，通訊作者為南科大材料系郭傳飛副教授和研究助理教授黃思雅（目前擔(dān)任深圳大學(xué)高等研究院研究員）。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊、深圳市基礎(chǔ)研究項目的支持。
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