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北京化工大学潘凯研究员课题组:具有连续梯度褶皱结构的高性能柔性压力传感器

日期:2019-04-30
  近年来,“大数据”、“人工智能”逐渐成为发展热点,柔性电子器件的研发也因此受到很高的关注度,压力传感器,是柔性电子技术的核心器件,在制备过程中,如何进行材料选择及结构设计是压力传感器高性能化的关键问题。
  褶皱结构在自然界中广泛存在,通常是因受力不均而产生的弯曲变形,如人体皮肤表面便存在大量的褶皱结构。
  近期,北京化工大学潘凯研究员与邓建平教授合作,将褶皱结构引入压力传感器结构设计中,通过控制柔性基底的拉伸比等条件,成功制备出规则且具有连续梯度褶皱结构的柔性压力传感器。在压力传感器中引入褶皱结构的优势在于:(1)能够实现材料由二维结构向三维结构的转变,提高材料的比表面积,增大活性材料间相互接触作用的潜在空间性;(2)可以通过前期对弹性基底拉伸比率等条件的控制,优化材料的柔性及拉伸性能;(3)同时褶皱结构的独特形貌,也更利于器件性能保持良好稳定性。故这种具有褶皱结构设计的压力传感器可表现出较高的灵敏度,良好的柔性及优异的稳定性,可以用于人体生理运动检测,压力定位检测等多方面。
 
 
  图1 连续梯度褶皱结构的制备示意图
  结合褶皱形成的特点,还进一步提出“连续梯度”这一概念,利用氧化石墨烯(GO)作为材料前驱体,通过控制柔性基底的拉伸比率及宏观调控,成功制备具有梯度变化的规律性褶皱结构的石墨烯基复合膜。图1所示是该种连续梯度褶皱的石墨烯基复合膜的两种制备路径,即褶皱结构排列方向与梯度方向平行或垂直。
 
 
  图2 连续梯度褶皱结构(褶皱结构排列方向与梯度方向平行)压力传感器形貌表征图
 
 
  图3 连续梯度褶皱结构(褶皱结构排列方向与梯度方向平行)压力传感器性能及传感机理图
  图2是路径一所制备的连续梯度压力传感器结构表征。SEM图中可明显地看出褶皱结构排列方向与梯度方向平行的连续梯度褶皱结构,排列相对规则。进一步将GO前驱体还原后,获得导电性优异且具有空腔组成的rGO褶皱,空腔结构的存在为传感器稳定性及高灵敏度奠定了坚实的基础。此压力传感器的作用机理如图3所示,由于连续梯度褶皱的存在,传感器会与平面本身存有一个角度,随着施加压力的改变,褶皱与电极的接触状态不同,接触面积也随之改变,使得传感器在不同压力范围内,表现出相应的优良性能。
 
 
  图4 连续梯度褶皱结构(褶皱结构排列方向与梯度方向垂直)压力传感器制备示意图
 
 
  图5 连续梯度褶皱结构(褶皱结构排列方向与梯度方向垂直)压力传感器微结构及传感机理图
  图4是路径二所制备的连续梯度压力传感器示意图及结构表征,该褶皱结构排列方向与梯度方向相互垂直,与人体皮肤的构造非常相似,且将前驱体材料还原后,由于气态物质的产生,褶皱表面形成了圆顶状的微观结构,rGO也发生层间膨胀,片层间间距增大。由于这两种微结构的存在,不同压力下褶皱结构存在的形态具有明显差异,显示出多级敏感性。如图5所示,该压力传感器表现出四段式优异灵敏度。该工作已作为Back Cover发表于Nanoscale。
 
 
  图6 Back Cover
  以上相关成果文章链接:
  Wavelength-Gradient Graphene Films for Pressure-Sensitive Sensors 发表于Advanced Materials Technologies, 2018, 
  DOI: 10.1002/admt.201800363,潘凯研究员与邓建平教授为共同通讯作者,第一作者为硕士研究生王铭锑、邱远游。
  论文链接:
  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/admt.201800363
  Skin-inspired flexible and high-sensitivity pressure sensors based on rGO films with continuous-gradient wrinkles 发表于Nanoscale, 2019,
  DOI: 10.1039/C8NR08503J,
  潘凯研究员与邓建平教授为共同通讯作者,第一作者为硕士研究生贾进。
  论文链接:
  http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/nr/c8nr08503j
 
http://www.polymer.cn/sci/kjxw15387.html

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