9280 kPa⁻¹!超高灵敏度柔性电容型压力传感器

High-Porosity Foam-Based Iontronic Pressure Sensor with Superhigh Sensitivity of 9280 kPa⁻¹
Qingxian Liu, Yuan Liu, Junli Shi, Zhiguang Liu*, Quan Wang*, Chuan Fei Guo*

Nano-Micro Letters (2022)14: 21

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00770-9

本文亮点

1. 提出活性层的高孔隙率和低模量有助于实现电容型压力传感器的高灵敏度。

2. 通过使用具有高孔隙率(95.4%)和低模量(3.4 kPa)的聚氨酯-离子液体泡沫材料,在实验中使柔性压力传感器达到了9280 kPa⁻¹的超高灵敏度

内容简介

具有高灵敏度的柔性压力传感器是电子皮肤、人机界面和健康监测领域所普遍需求的。在近些年的研究中,通过在功能层中引入具有微结构的离子型材料,可以在电极-介电层界面形成双电层(EDL),从而有效增强电容信号,进而提升电容型压力传感器的灵敏度。然而,建造这种微结构一般需要特定的仪器和较为复杂的制造工艺,提高了生产的成本并且降低了生产率。南方科技大学王泉院士、郭传飞教授课题组提出了一种简单的加工手段,使用具有高孔隙率的开孔聚氨酯泡沫作为连续的三维网络骨架,通过一步浸泡过程在其表面加载离子液体,作为离子压力传感器的离子层。高孔隙率(95.4%)的聚氨酯-离子液体复合泡沫显示出相当低的杨氏模量(3.4千帕)和良好的可压缩性。在这种基于泡沫材料的压力传感器中,观察到了9280 kPa⁻¹的超高灵敏度和0.125%的高压力分辨率。该装置还在5000次压缩-释放或弯曲-释放循环中表现出显著的机械稳定性。这种高孔隙率的复合结构材料为制造超灵敏压力传感器提供了一种简单、经济和可扩展的方法,它在水波检测、水下振动传感和机械故障监测等应用中具有突出表现。
图文导读

传感机理和有限元分析

在离子型电容传感器中,因为EDL双电层的存在,器件的电容值主要受电极-离子层之间接触面积(A)影响。此外,根据灵敏度公式S=δ(∆C/C₀)/δP,较低的初始电容(C₀),即较低的初始接触面积(A₀),有利于得到更高的灵敏度,其中P是外界载荷。同时,根据接触理论分析,接触面积增量与初始面积的比值(∆A/A₀)可以近似表示为∆A/A₀=ψP/E,与离子层的有效模量(E)成反比,其中ψ为由离子层结构形貌决定的几何参数。模量E与离子层的孔隙率的关系为E=E₀D(1-Vₚ)ⁿ,其中Vₚ为孔隙率,E₀为块材的模量,n和D均为常数。综上所述,想要提高传感器的灵敏度,降低初始接触面积和有效模量是关键,而高孔隙率的材料可以在显著减少初始接触的同时(大部分为空气),降低有效模量,同时满足以上两点设计需求。

本文采用有限元分析的方法,对不同孔隙率下的多孔材料压缩形变过程进行了研究。如图1a所示,对于同样架构的材料,当孔隙率随特征宽度的减小而增大时,功能层的可压缩性有极大的提高,表现为同压力下有更大的压缩形变,即有效模量降低。同时,孔隙率增大会有效降低上下极板(电极)和功能层(离子层)之间的初始接触面积,进而使得接触面积增量与初始面积的比值反比上升(图1b),为后续传感器灵敏度的增加提供可能性。

图1. (a) 不同孔隙率(0%,31%,51%,74%,95%)结构在特定压力下(0,50,100千帕)的应力分布模拟结果;(b) 不同孔隙率结构的电极-功能层接触面积与外部压力的关系;(c) 基于泡沫功能层的离-电型压力传感器的传感机理。
通过聚焦于压缩过程中的关键参数:压力和接触面积增量,可以将整个形变过程分为三个阶段:启动阶段(Dull)、突增阶段(Burst)、饱和阶段(Brake),如图2所示。其中,启动阶段虽然有着很大的压缩形变,但因为结构的高孔隙率,在“枝杈”相互充分接触之前,接触面积和承载压力都几乎不变。在突增阶段,“枝杈”与电极的接触由之前的点接触向面接触转变,使得总的接触面积急剧增加(图2b);同时因为结构尚未压实,有效模量仍然较低,承载压力保持低位,结果导致灵敏度突增。在最后饱和阶段,多孔结构转变为无孔结构,表现为近乎不可压缩,使得承载压力剧增,而接触面积增加趋于饱和,相应的灵敏度有所下降。高孔隙率结构所带来的接触面积和承载压力之间的增长“时间差”使得超高灵敏度的压力传感器成为可能。
图2. (a) 95%孔隙率结构应力和接触面积随压缩应变的变化曲线;(b) 不同压缩阶段中,电极和泡沫结构的接触形态;(c) 95%孔隙率结构在不同模量情况下的压缩应力-应变曲线;(d) 不同模量情况下,电极-泡沫的接触面积与压力的关系曲线。
II 聚氨酯-离子液体复合泡沫性能

本文采用简单的一步浸泡法,通过将高孔隙率的聚氨酯泡沫浸入离子液中,在其表面吸附形成一层连续的离子液体界面,如图3a所示。因为整个工艺简单,无需昂贵的仪器设备;原材料廉价且可以商业获得,使得功能层的加工成本非常低廉,可以轻松实现大尺寸样品的制备,如图3b。进一步的表征分析证明了离子液体可以稳定、均匀的附着在聚氨酯材料表面(图3d),并且离子液体的存在不会显著影响多孔材料的压缩变形性能(图3e)。通过将复合泡沫作为介电层夹在电极之间并封装测试(图3g),可以得到与模拟预测相一致的电容-压力曲线(图3i)。

图3. (a) 聚氨酯-离子液体复合泡沫示意图;(b) 大尺寸复合泡沫样品;(c) 离子液体在聚氨酯界面上的接触角;(d) 复合泡沫的氮、氟和硼的元素分布图;(e) 聚氨酯泡沫和复合泡沫在压缩下的应力-应变曲线;(f) 复合泡沫的表面高度分布;(g) 电容式压力传感器的示意图;(h) 复合泡沫压缩前后的电镜图像;(i) 复合泡沫传感器的电容-压力曲线。

III 复合泡沫离子型传感器性能

得益于高孔隙率结构带来的低初始接触面积和低有效模量,相应的柔性压力传感器的灵敏度峰值达到超高的9280 kPa⁻¹(图4a)。同时,传感器还有着较高的响应速度(图4c),较好的稳定性(图4g, h)和较高的压力分辨率(图4d-f)。

图4. (a) 复合泡沫压力传感器的灵敏度曲线;(b) 与以前文献中报告的结果的灵敏度对比;(c) 压力传感器的响应时间;(d, e) 在不同预压力情况下微小力信号的探测;(f) 传感器对微弱气流的响应;(g, h) 传感器稳定性检测。

IV 复合泡沫传感器应用:水波检测和振动监测

超高的灵敏度使得传感器能够探测微小的机械信号。通过将传感器置于水池壁或池底(图5a),可以对池中水面的波动进行准确监测。图5b中,置于池壁的传感器检测到几组重复水波的波动信号。通过提供频率时间窗口的小波变换,可以看到更明显的、周期性的水波频率信号演变(图5c)。当传感器被放置在水池底部,深度为20厘米(水压≈2千帕),可以检测到水下马达的振动信号(图5d)。此外,该传感器还可用于收集机器不同工作状态下的振动信息,有望用于机器故障诊断(图5f, g)。

图5. (a) 传感器的应用场景示意图;(b) 传感器检测到的水波的时域波形;(c) 使用小波变换得到的水波频域信号;(d, e) 传感器检测到的水下机器的振动信号及频域信号;(f) 附在鼓风机上的传感器在正常和异常工作条件下的电容信号;(g) 鼓风机在正常和异常工作条件下的频域信号。

作者简介

刘庆先

本文第一作者

哈尔滨工业大学-南方科技大学联合培养 博士生

主要研究领域

柔性压力传感器的研究及应用、聚合物多孔膜材料的设计。

刘之光 博士

本文共同通讯作者

南方科技大学

主要研究领域

三维微纳加工技术的发展及纳米光子学应用,包括基于聚焦离子束(FIB)的纳米剪纸技术等;柔性高性能电子皮肤的研究;新型3D打印技术的发展和研究。

主要研究成果

近年来在纳米光子学、三维微纳加工、柔性电子皮肤等的理论设计、技术发展、基础应用等方面做出了较大贡献。现已在Science Advances, Nature Communication, Advanced Materials, Advanced Science, Laser & Photonics Reviews, Photonics Research等国际知名期刊上发表论文20余篇。

Email: liuzg@sustech.edu.cn

郭传飞 教授

本文共同通讯作者

南方科技大学

主要研究领域

高性能电子皮肤、人体柔性电子技术、非常规微纳加工技术等。

主要研究成果

已在Nature Materials、Nature Communications、PNAS、LSA、JACS、Advanced Materials、Nano Letters、Advanced Functional Materials、Materials Today、ACS Nano等学术期刊上发表论文110多篇。申请专利30余件,已获中、美、日等国专利授权15件,其中包括美国专利授权3件。参与编写英文专著一部。关于柔性电子学方面的研究成果被《New York Times》、《新华网》、《Science Daily》、《Materials Today》、《Physics Today》等新闻媒体与科技刊物广泛报道。主持和参与广东省珠江人才计划“引进创新创业团队”、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、深圳市基础研究学科布局等项目。

Email: guocf@sustech.edu.cn

王泉 院士

本文共同通讯作者

南方科技大学

主要研究领域

结构健康监测和结构修复、能量采集、纳米技术及应用等。

主要研究成果

发展了基于小波与熵等理论的工程结构健康监测的方法,该技术已被应用于桥梁等大型土木结构监测中。创建并推广了利用智能材料采集高层建筑等环境振动能量的技术。开创了非局域连续介质力学在纳米科技领域的应用,促进了高性能工程材料的研究。

Email: wangq@sustech.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2020JCR影响因子达16.419,学科排名Q1区前10%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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