高溫壓力傳感器的應用原理和前景

　　高性能柔性高溫壓力傳感器的應用原理和應用前景：為了滿足可穿戴器件的發(fā)展需求，高靈敏度低成本的柔性高溫壓力傳感器的設計與制備吸引了科學界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。基于碳納米管/石墨烯薄膜和蠶絲納米纖維膜，分別報道了兩種高性能柔性高溫壓力傳感器的制備方法。

 

　　其一是通過在取向碳納米管薄膜上原位生長石墨烯，從而得到導電性好、透光性高的復合薄膜，并利用直接印模植物葉片表面多級微結(jié)構(gòu)的方法得到具有微結(jié)構(gòu)的柔性基底，將兩者結(jié)合得到高靈敏、低檢測限的薄膜狀柔性高溫壓力傳感器。具體而言，首先將從可紡碳納米管垂直陣列抽絲得到的碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移到銅箔表面，通過化學氣相沉積法原位生長石墨烯，得到取向碳納米管/石墨烯薄膜。

 

　　該薄膜具有優(yōu)異的導電性、良好的強度和透光性。具有多級微結(jié)構(gòu)的柔性基底通過印模植物葉片得到，該方法過程簡單但效果突出。將取向碳納米管/石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到具有多級微結(jié)構(gòu)的基底表面，因石墨烯的存在增大了接觸面積，使微結(jié)構(gòu)基底與復合薄膜可形成良好的接觸。將兩片柔性復合薄膜材料相對放置，即可得到高性能壓阻式柔性高溫壓力傳感器。

 

　　該傳感器具有高靈敏度(19.8kPa-1)和快速響應(<16.7ms)的特點;同時，具有很低的檢測極限，例如，可檢測一個小水滴產(chǎn)生的壓力(約為0.6Pa);柔性基底與復合薄膜良好的接觸賦予了傳感器長期穩(wěn)定性，經(jīng)過35000次循環(huán)后依然保持穩(wěn)定。由于其良好的性能，該傳感器可用于彎曲、扭轉(zhuǎn)和聲波振動等檢測，也可用來監(jiān)測人體脈搏、呼吸等信號，從而在智能設備、電子皮膚等領(lǐng)域具有應用價值。

 

　　其二是首次以桑蠶絲作為原材料，通過靜電紡絲及高溫碳化將其轉(zhuǎn)化為微晶石墨化納米纖維膜，制備了一種具有超高靈敏度(34.47kPa?1)、高透明度(90.75%)、低檢測極限(0.8Pa)、超低響應時間(<16.7ms)、可陣列化集成的高溫壓力傳感器。該研究利用成熟的靜電紡絲技術(shù)，得到形貌均勻、高比表面積的蠶絲納米纖維膜，通過高溫碳化處理使其形成具有高導電性的石墨化微晶納米纖維膜，并作為高溫壓力傳感器的功能層材料。

 

　　由于通過靜電紡絲技術(shù)制備的蠶絲納米纖維膜具有高密度的交聯(lián)位點，當施加外部壓力時，納米纖維膜的接觸位點數(shù)目發(fā)生變化，從而可以實時、靈敏地監(jiān)測壓力;該傳感器可與人體皮膚緊密貼合，對微小的生理信號進行實時的、高保真性的檢測與輸出;高溫壓力傳感器還易于集成及大面積制備，可形成傳感器陣列，從而用于壓力分布的檢測。與此前的方法比較，更為重要的是該方法使用產(chǎn)量豐富、人體友好的桑蠶絲作為原材料，無毒無污染、成本低廉且適宜大規(guī)模生產(chǎn)，從而具有非常可觀的實用化前景。將其貼附于人體皮膚或集成在可穿戴設備中，可對健康信號、觸覺重建和人機交互等領(lǐng)域進行應用。