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石墨烯助阵压阻式触觉传感器

发布时间:2018-10-09 访问次数:221次 来源:柔性电子服务平台 分享:

石墨烯具有良好的导电性和纳米挠性,因此,只需要在石墨烯触觉传感器上施加微应力变形,就会导致电阻的急剧变化。正是这种优良的压阻效应,使石墨烯成为检测可穿戴设备中,触觉信号装置的理想传感元件。作为一种常见的触觉传感器,基于石墨烯制备的压阻式触觉传感器,具有检测范围宽、功耗低、易于组装和信号读取等显著优点,得以广泛应用,并在前沿应用中显示出巨大的潜力,如可穿戴电子皮肤和人机界面(图一)。

1. 基于石墨烯的编织物(左)和基于石墨烯的传感器在人体的应用(右)

为了获得基于石墨烯的具有高性能的触觉传感器,在过去的几年中,科研人员已经设计了各种器件结构,例如:一维光纤基、基于二维平面的、基于三维海绵的触觉传感器。最近,华东师范大学褚君浩研发出了一种具有典型的压阻效应、基于Go/RGO混合结构的柔性压力传感器,该传感器表现出了超快动态检测和不依赖于频率的电阻传感能力。然而,与基于复合材料的传感器相比,其在低压区的灵敏度较低。因此,为了提高基于石墨烯的触觉传感器的传感性能,科研人员一直在尝试设计更优化的传感器器件结构。例如,褚君浩团队报道了将RGO纳米片包裹在聚偏氟乙烯上,从而制备平面压阻式触觉传感器。科研人员利用(P(VDF-TrFE))纳米纤维形成均匀的导电网络(如图1所示),工作原理可解释为,外部压力会导致压缩膜的压缩,并在RGO/PVDFTrFE)网络上产生更多的传导路径,从而可使器件的电阻降低。当施加的压力被去除时,接触点恢复到原来的状态,器件电阻增加。在非常低的压力下(低于60帕)和高压下(20kPa以上),柔性触觉传感器表现出较高的灵敏度。如图2B所示,触觉触觉传感器具有检测羽毛和米粒等超轻物体的能力,而且灵敏度高、响应时间快,并且能够实时监测腕部脉冲和语音识别,在健康监测和人机交互中的应用中具有很大的潜力。

2  不同结构类型的压阻式触觉传感器

为了进一步提高触觉传感器的灵敏度和检测极限,常用方法是利用具有微结构的柔性基板(例如在PDMS上的微金字塔和微圆顶阵列)来组装触觉传感器。具有微结构衬底的触觉传感器的灵敏度,比用平面基板组装的触觉传感器的灵敏度高几十倍,原因在于PDMS表面上尖锐的微观结构使得导电网络具有更充分的接触位点,即使在微小的压力下也能获得高灵敏度。

自从二维石墨烯薄膜成功实现以来,以多孔海绵、泡沫和气凝胶为基础的三维结构常被用于制备触觉传感器的结构支架的。石墨烯由于其优异的电性能和机械性能,使二维石墨烯薄膜具有较低的脆性和较高的压缩回弹率等独特优势。研究人员通常采用自组装化学工艺来构建三维RGO结构,例如:石墨烯浸涂模板法和冻干干燥法。想要在具有良好柔韧性和压缩稳定性的宏观结构中构建三维石墨烯块,一个关键因素是在聚合物支架(例如PDMSPU)中有效地填充石墨烯,以形成纳米结构导电海绵。已经有许多关于制造柔性3D RGO结构的报告,该结构具有可设计的几何形状、可调密度、低电阻和可扩展性用于大规模生产。然而,所制备的3D石墨烯的均匀性还需要改善。例如,任及其团队发表了一种以多孔CVD -石墨烯网络与PDMS相结合的触觉传感器,该传感器采用泡沫镍作为模板并进行化学蚀刻。触觉传感器具有感知压力和应力的能力,其宽压力感测范围在(01800千帕),可实时监测人体运动,例如:行走状态、手指弯曲、腕部脉搏跳动等。然而,该传感器压力灵敏度太低,无法精确地检测外部应力,这阻碍了它们在柔电子皮肤中的应用。

为了提高压阻灵敏度,余及其团队在三维导电海绵中设计了一种新的断裂微结构,制作了如图5C所示的夹层触觉传感器。该团队首先用PU光纤网络模拟具有断裂微观结构的导电海绵,然后将RGO纳米片包裹在其上,其传感机理是基于PU纳米纤维在外压缩过程中接触部位变化引起的电阻变化。在施加在海绵表面上的压力之后,RGO包裹的PU纳米纤维将彼此接触,从而导致导电网络的接触面积大幅度增加。当从海绵中除去压力时,光纤网络的变形将被恢复,从而导致网络的接触面积减小。因此,在压应力作用下,Pu纳米纤维的相容性变化率决定了海绵的压力敏感性。包含断裂光纤网络的RGO/PU触觉传感器具有更强的灵敏度(0.26kPa),在02 kPa压力下,比原RGO/PU海绵高出两个数量级(图2D)。这项研究使三维海绵状石墨烯结构成为制造低成本人造皮肤的候选。此外,很多科研人员也在探索基于金属基气凝胶和CNT基海绵等其他传统三维结构材料的制造,但这些研究尚处在试验阶段,在实际应用中仍存在许多局限性。例如,由于缺乏合适的前驱体金属基气凝胶的制造困难仍然存在,控制器件的形貌和设计图案阵列也是复杂的。

除了上述器件结构外,一维纤维触觉传感器具有柔性、可拉伸、耐用和轻质的特性,非常适合制备电子皮肤。与传统的基于金属和半导体的触觉传感器相比,基于光纤的石墨烯触觉传感器,可以提高机械柔顺性和工作范围。不过,目前石墨烯基光纤应变传感器在微变形和检测区域的敏感度等方面,仍然存在困境,这限制了其在电子皮肤中进一步应用。例如:细微生理信号检测(脉搏、血压和呼吸等)。对此外,大多数报告中的传感器只配备了单一的功能,这限制了对复杂人体活动的检测,例如:舞蹈,跑步等。高及其团队开发了一种简单的方案来制造基于纤维的可穿戴触觉传感器,以检测多种形式的机械变形,包括拉伸应变、弯曲和扭曲。具体方式为利用压缩弹簧涂覆均匀RGO,从而得到高拉伸性和导电性的纤维,如PU纤维。

图3光纤传感器不仅在拉伸应变变形和宽检测范围(100%应变)下表现出超高灵敏度(检测到0.2%应变),而且在不同刺激下具有优异的弯曲和扭转敏感特性(图3B)。

综上所述,基于其他传统活性材料(如炭黑、活性炭和导电聚合物)的可伸展触觉传感器,通常不能同时获得高灵敏度和高拉伸能力,这可能是其表面和内部结构的固有缺陷导致的。基于石墨烯的高性能光纤触觉传感器为检测全范围人类活动提供了极大的帮助,从精确的语音识别和脉冲监测(图3CD)到剧烈的人体运动,如实时监控和记录复杂的动作(图3E)。

石墨烯目前已广泛应用于压阻式触觉传感器,相信在不久的将来,石墨烯助力触觉传感器得以更大发挥。

参考文献:

[1] SChen,K. Jiang, Z. Lou, D. Chen, G.Z Shen, Adv. Mater. Technol. 2017, 1700248.

[2] S.  Liu, X. Wu, D. Zhang, C. Guo, P. Wang, W. Hu,X. Li, X. Zhou, H. Xu, C. Luo, J. Zhang, J. Chu, ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9, 24148.