厦门大学吴德志教授：基于尖刺Ni/PI复合纳米纤维膜的高性能柔性电容式压力传感器
厦门大学吴德志教授：基于尖刺Ni/PI复合纳米纤维膜的高性能柔性电容式压力传感器
近年来，柔性压力传感器在健康监测、人机交互、智能假肢和电子皮肤等领域得到了拓展和应用。随着物联网、工业4.0、大数据、人工智能、机器人和数字健康等技术的不断发展，柔性压力传感器的应用也在逐步深化，尤其是在一些复杂的工作场景中。然而，实际应用中传感器介质层的压缩模量会急剧增加，导致传感器在高压下的灵敏度急剧下降，这极大限制了其实际应用。因此，迫切需要开发能够大量程、高灵敏度和快速响应/恢复的柔性压力传感器，以满足严苛的应用需求。
近日，厦门大学吴德志教授团队在期刊《ACS Sensors》上，发表了最新研究成果“High-performance flexible capacitive pressure sensor based on a spiked nickel/polyimide composite nanofiber membrane”。研究者设计了一种基于金属颗粒与聚合物的复合纳米纤维膜的电容式柔性压力传感器，能够在1.5MPa的宽压力范围内稳定工作。采用静电自组装的方法将尖刺Ni颗粒吸附进多孔的聚酰亚胺纳米纤维膜内部，以此构建了尖刺Ni/PI复合纳米纤维膜介电层，相较于纯聚酰亚胺纳米纤维膜，传感器灵敏度提升了4倍以上。同时设计了小尺寸可拓展式的电容式阵列传感器及其采集系统。实验结果表明，传感器表现出超过1000次循环的长期稳定性和快速的响应/恢复时间（30/40ms）。由于其卓越的性能表明该传感器可应用于人体运动检测、睡姿监测和足底压力测量等许多场景，在各种可穿戴系统中具有良好的应用前景。
图1：传感器的结构、原理及其制备工艺。
制造过程：静电纺丝法制备纳米纤维膜后通过紫外激光切割获得所需尺寸的圆形膜，接着采用丝网印刷法将图案化环氧树脂胶粘剂印刷在上下电极上，然后将纳米纤维膜放置在定制压缩电极上下压板中，保持压板压合，胶水固化，最终构建了如图1d所示双点柔性压力传感器。
图2：尖刺Ni/PI纳米纤维膜的制备方法。
将尖刺Ni颗粒和PI纳米纤维膜分别放入CTAB溶液和SDS溶液中，随后将PI纳米纤维膜放入CTAB溶液，通过阴离子和阳离子的吸附，观察到尖刺Ni颗粒吸附在纳米纤维膜之间，得到尖刺Ni/PI复合纳米纤维膜。
图3：基于尖刺Ni/PI复合纳米纤维膜柔性压力传感器的传感性能。
图4：电容式柔性压力传感器在健康监测的应用。
图5：小尺寸柔性压力传感器阵列在足底压力检测上的实际应用。
实验结果表明，采用该方法制备的传感器具有良好的传感性能，快速响应/恢复时间30/40ms、压力检测范围~1.5MPa，500kPa下重复1000次循环机械稳定性良好。此外，通过设计可扩展的传感器阵列，可针对各种压力监测应用进行定制，例如人体运动检测、睡姿监测和足底压力监测。
本文原文来自搜狐