研究基于尖刺Ni／PI复合纳米纤维膜的高性能柔性电容式压力传感器

  当前，柔性压力传感器在健康监测、人机交互、智能假肢及电子皮肤等前沿领域不断实现技术突破。在物联网、大数据、人工智能等新兴技术推动下，其应用深度持续拓展，特别是在复杂工业场景中展现出独特优势。但当前仍存在一些挑战：当传感器处于高压环境下，其内部介质材料的压缩模量急剧增加，致使器件灵敏度快速衰减，严重制约了其应用进程。在此背景下，研发兼具大量程、高灵敏度和快速响应／恢复的新型柔性压力传感器，已成为重要研究方向。     近日，厦门大学吴德志教授团队设计研发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1.5 MPa的宽压力范围内稳定工作。该项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，其传感器灵敏度提升了4倍以上。同时配备了小尺寸可拓展式的电容式阵列传感器及其采集系统。经测试，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（30／40 ms）。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多种场景，在可穿戴系统中具有良好的应用前景。该项工作以“High-performance flexible capacitive pressure sensor based on a spiked nickel/polyimide composite nanofiber membrane”为题，发表在期刊《ACS Sensors》上。   通过静电纺丝技术制备纳米纤维膜并使用紫外激光切割将其加工为所需尺寸的圆形膜。随后，采用丝网印刷法在上下电极表面形成图案化分布的环氧树脂胶粘剂层，并将纳米纤维膜转移至定制压缩电极上下压板中，使压板保持稳定接触状态，待胶水完成固化后，最终形成如图1d所示的双点柔性压力传感器。    图1：传感器的结构、原理及其制备工艺 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2：尖刺Ni/PI纳米纤维膜的制备方法   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30／40 ms、压力检测范围~1.5 MPa，500 kPa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。 论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssensors.4c03495         审核编辑 黄宇