科学研究

三维混合网络结构的压阻式传感器研究进展

来源:武汉光电国家研究中心   作者:能源光子学功能实验室  发布时间:2016年10月10日  点击量:

近年来,压阻式传感器由于体积小、重量轻、稳定性好、便于集成等优点,已广泛被应用于压力、高度、加速度、液体的流量等方面的测量,尤其是柔性和高灵敏度的压阻式传感器在智能交通、电子皮肤和智能人机交互界面等方面有巨大的潜在应用价值,因此它吸引了科研界广泛的兴趣。然而,其发展仍然面临一些问题,例如:如何利用简单的制造方法制造出高灵敏度的传感材料、高弹性基底集为一体的压阻式传感器。

针对以上问题,武汉光电国家实验室和物理学院的双聘教授高义华博士团队的硕士生张慧,利用简单的“浸泡干燥”方法,基于高弹多孔分层结构的海棉为基底,有良好机械性能的CNTs与导电性的Ag NPs为传感材料,成功制备了柔性可压缩的压阻式传感器。其工作原理是: 在压缩时,CNTs/CNTs, Ag/Ag NPs和Ag NPs/CNTs之间的接触距离会缩小,使导电通路增多,电阻减少,电流增大; 压力释放后,它们之间的接触距离会增大,导电通路减少,电阻增大,电流减小。通过测试分析压缩前后电流的变化量,分析得出此压阻式传感器有高的灵敏度(9.08 kPa-1)。进一步对传感器的机械和响应时间测试分析,表明它不仅有宽泛的压强测试范围(0-61.81 kPa)和极好的压缩-释放循环稳定性(>2000个循环),而且有快速的响应时间。该轻质压阻式传感器,有望被用于各种各样的智能装置,例如可穿戴式电子产品、智能医疗、智能家居、智能机器人和交通监控等。

2016年8月31日,该研究成果“Piezoresistive Sensor with High Elasticity Based on 3D Hybrid Network of Sponge@CNTs@Ag NPs”发表在综合科学类权威学术期刊《美国化学学会应用材料与界面》上(ACS Applied Materials&Interfaces 2016, 8 , 22374-22381)。

该研究工作得到了国家自然科学基金(11204093, 11374110, 11304106, 51371085)等项目的资助。

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a)压阻传感器工作电路图;(b)压缩前后纳米碳管与银颗粒间距的改变;(c)不同压强下电流的变化;(d)测试指关节弯曲的电流响应曲线.