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  電阻型壓力傳感器由于精度高、監(jiān)測范圍寬、信號處理和裝置結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。但是，傳統(tǒng)的壓力傳感器通常會在高壓力區(qū)域下導(dǎo)電通路過早的達(dá)到飽和，因此會表現(xiàn)出比較低的敏感性。另外，為了滿足傳感器小體積、輕量化和可穿戴的發(fā)展需求，多功能壓力傳感器的開發(fā)也十分必要。雖然目前也有一些關(guān)于多功能應(yīng)變傳感器的報(bào)道，但是這些方法典型的需要將不同功能的傳感元件整合到屈曲的基板上，這導(dǎo)致傳感器的制備耗時(shí)、成本高、不易大規(guī)模推廣。

  針對目前壓力傳感器發(fā)展中的一些問題，鄧華教授團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合逾滲網(wǎng)絡(luò)-接觸電阻協(xié)同效應(yīng)，并采用新穎的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高性能、多功能壓力傳感器的制備。這種傳感器能夠在0-500 kPa的壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1×10⁶ kPa^-1的超高敏感性。此外，通過設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)和控制導(dǎo)電填料的濃度，傳感器也實(shí)現(xiàn)了彎曲和溫度的監(jiān)測能力。該研究成果以題為“Ultrasensitive Thin-Film Pressure Sensors with a Broad Dynamic Response Range and Excellent Versatility Toward Pressure, Vibration, Bending, and Temperature”的論文發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》。

圖1. 壓力傳感器的制備流程和結(jié)構(gòu)表征

  壓力傳感器主要由兩部分組成。首先是由彈性體熱塑性硫化硅橡膠（TPV）和導(dǎo)電金屬顆粒鎳（Ni）通過熔融共混后，經(jīng)過兩步熱壓得到的敏感層。采用商業(yè)化的導(dǎo)電玻璃PET/ITO，在導(dǎo)電ITO層經(jīng)過激光選擇性刻蝕得到電極層。熱壓法得到的表面微結(jié)構(gòu)能夠在施加應(yīng)力時(shí)集聚應(yīng)力，從而在內(nèi)部形成逾滲網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，提供更多的與電極之間的接觸面積。

圖2. 壓力敏感及相關(guān)性能表征

  結(jié)合逾滲通路和接觸電阻的變化。在低壓力范圍內(nèi)，敏感層與電極層的接觸面積迅速擴(kuò)大，隨后在高應(yīng)力區(qū)域達(dá)到飽和。與之相反，在低壓力區(qū)域由TPV/Ni復(fù)合材料薄膜構(gòu)成的敏感層的逾滲電阻變化不大，而在高應(yīng)力范圍內(nèi)敏感層的導(dǎo)電通路快速建立。結(jié)合這兩種互補(bǔ)的變化趨勢，制備的傳感器在寬范圍內(nèi)表現(xiàn)出超高的壓力敏感性。即使在高應(yīng)力區(qū)間（20-500 kPa）敏感性有所降低，但是依然能夠保持3.1×10⁴ kPa^-1的高敏感性能，這種性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)壓力傳感器的敏感性。

圖3. 震動和彎曲應(yīng)變監(jiān)測表征

  在施加壓力時(shí)，傳感器展現(xiàn)出< 5ms的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間，這使得傳感器能夠監(jiān)測震動引起的瞬時(shí)壓力變化。另外，當(dāng)傳感器發(fā)生彎曲時(shí)，其外層（敏感層）會產(chǎn)生彎曲誘導(dǎo)應(yīng)變，該應(yīng)變與樣品厚度和彎曲半徑有關(guān)，可由Euler-Bernoulli 公式計(jì)算。因此，當(dāng)傳感器被彎曲到不同的曲率時(shí)，外層TPV/Ni薄膜由于應(yīng)變下電阻發(fā)生變化，會導(dǎo)致壓力傳感器做出響應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)彎曲監(jiān)測能力。

圖4. 壓力和溫度分布監(jiān)測

  在文章最后，通過將大尺寸微結(jié)構(gòu)化的TPV/Ni復(fù)合材料薄膜兩側(cè)印刷銅電極，作者制備了壓力和溫度分布監(jiān)測陣列。通過測量在應(yīng)力下每個(gè)像素點(diǎn)的電阻變化，傳感器實(shí)現(xiàn)了很好的壓力分布監(jiān)測能力。由于敏感層中填料含量在逾滲范圍內(nèi)，因此在升溫時(shí)由于基體體積膨脹會導(dǎo)致其電阻增加。這種現(xiàn)象使得傳感器能夠監(jiān)測由于局部溫度變化導(dǎo)致的溫度差異，從而將溫度分布可視化。總之，文章通過低成本、可規(guī)模化的方法制備了高性能、多功能壓力傳感器，這可能在下一代可穿戴電子裝置中有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.0c05618