南方科技大学郭传飞/赵悦《Adv.Sci.》:基于纳米陶瓷纤维的耐高温柔性压力传感器

柔性压力传感器是柔性电子技术的重要组成部分,能够为可穿戴设备提供生理监测,也能为软机器人提供触觉感知。柔性压力传感器不仅要求满足可穿戴设备的日常应用需求,在某些情况下甚至需要应用在极为苛刻的工作环境中,例如高温。但构造具有这样功能的柔性传感器件却非常具有挑战性。一般聚合物无法耐受300 ℃以上的高温;此外,在较高温度下,聚合物的粘弹性变化会导致器件在长时间工作条件下的性能衰减。陶瓷材料具有耐高温耐腐蚀等优异的理化特性,但是陶瓷材料自身的脆性限制了其在柔性电子器件的应用。

为了解决上述问题,最近,南方科技大学材料系郭传飞团队和物理系赵悦团队合作在知名期刊《Advanced Science》上发表了题为“A Highly Sensitive, Reliable,and High-Temperature-Resistant Flexible Pressure Sensor Based on CeramicNanofibers”的通讯论文,报道了一种基于陶瓷纳米纤维的柔性压力传感器,展现出优异的传感性能、耐用性、透气性和耐高温性能。

南方科技大学郭传飞/赵悦《Adv.Sci.》:基于纳米陶瓷纤维的耐高温柔性压力传感器

研究人员利用静电纺丝法制备得到一种具有良好力学柔性的TiO2纳米纤维薄膜材料,纤维的平均直径为120 nm。研究人员对该TiO2纳米纤维薄膜以及具有相同厚度的PVDF和PVA纳米纤维薄膜进行了应变为10%的循环压缩测试。在100次循环后,TiO2薄膜的残余塑性形变量为2.2%,而PVDF和PVA的残余应变则分别为7.0%和8.4%。经过100次压缩循环后,TiO2纳米纤维薄膜保持了初始最大应力的85%以上,相比之下,PVDF和PVA薄膜仅为48%和20%。

南方科技大学郭传飞/赵悦《Adv.Sci.》:基于纳米陶瓷纤维的耐高温柔性压力传感器
图1. a)静电纺丝制备TiO2纳米纤维薄膜流程图。超薄TiO2纳米纤维薄膜的b)光学照片,c)SEM图,d)TEM图。

 

鉴于TiO2纳米纤维薄膜优异的力学性能,研究人员测试了基于不同厚度的TiO2纳米纤维薄膜的柔性压力传感器的灵敏度、检测极限、响应/弛豫时间和循环稳定性,并与相同厚度的聚合物纳米纤维薄膜传感器进行对比。测试结果表明,TiO2传感器具有高达4.4 kPa-1的灵敏度、16 ms的响应时间、0.8 Pa的检测限和大于五万次的压缩循环稳定性。

南方科技大学郭传飞/赵悦《Adv.Sci.》:基于纳米陶瓷纤维的耐高温柔性压力传感器
图2. a)柔性压力传感器的压缩示意图。b)基于厚度均为25 μm的TiO2,PVA和PVDF纳米纤维网络传感器的灵敏度。c)TiO2传感器在1 kPa压力下的循环稳定性(50 000次循环)。

 

高孔隙率的陶瓷纳米纤维薄膜作为介电层具有良好的透气性能。研究人员利用喷涂银纳米线的织物作为柔性电极,制备得到一种透气可穿戴的柔性压力传感器,其水蒸汽透过率达到835 mL m2 h-1,能够很好地满足人体皮肤对于透气的要求。同时,该传感器可以很好地反映人体的健康状态和运动情况,将其贴合在人体的不同部位(手腕、眼睑、颈部、胸前、食指关节、声带)可以得到不同的生理数据,包括受试者运动前后的桡动脉脉搏、呼吸脉搏、颈动脉脉搏;同时可以实现人体运动监测,如眨眼、手指弯曲,以及发声引起的声带微弱振动等。

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图3. a)透气可穿戴传感器的原理图。b)透气传感器的水蒸发实验。c)单词“So”,“Save”和“Good”的发音识别。d)运动前后的桡动脉脉搏。

 

此外,这种陶瓷纳米纤维薄膜具有优异的耐高温特性。以该陶瓷纳米纤维薄膜作为介电层,研究人员制备得到了一种能够耐受约1300 ℃瞬时高温并测试了其在370 ℃下的响应。在370 ℃高温下和1300 ℃灼烧后其最大灵敏度分别为0.028 kPa-1和0.006 kPa-1,并在循环测试表现出性能的一致性和稳定性。

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图4. a)耐高温压力传感器的结构示意图。b)耐高温传感器在1300℃下灼烧。c)耐高温柔性压力传感器在30 ℃、370 ℃和丁烷火焰中燃烧后测试的灵敏度。d)耐高温传感器在370 ℃的多循环压缩测试。

 

小结

综上,研究人员制备得到一种轻质、透气的陶瓷纳米纤维薄膜材料,这种材料具有优异的循环压缩力学性能。利用该陶瓷纳米纤维作为介电层制备的柔性电容型传感器,具有较高的灵敏度(4.4 kPa−1),较低的检测极限(0.8 Pa),快速的响应速度(16 ms),以及优异的循环稳定性(5万次循环测试)。同时,以陶瓷纳米纤维薄膜作为介电层制备得到的高透气性压力传感器作为可穿戴设备,可以用于人体生理监测和运动检测。此外,结合高温电极,该传感器能够实现在370 ℃的高温条件下长时间工作,使柔性传感器在极端高温环境下的应用成为可能。

论文的第一作者为物理系硕士研究生付敏,通讯作者为南科大材料系郭传飞副教授和研究助理教授黄思雅(目前担任深圳大学高等研究院研究员)。该工作得到了国家自然科学基金、广东省创新创业团队、深圳市基础研究项目的支持。

 

论文链接:

http://dx.doi.org/10.1002/advs.202000258

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