用「魚鱗」搭個超靈敏柔性傳感器

2019-01-17

本文來自微信公眾號:X-MOLNews‍‍‍‍‍‍‍

柔性可穿戴電子器件具有卓越的機械性能、高靈敏度及優異的性能穩定性,在智能服裝、健康監護、可穿戴顯示器、可穿戴生物相容性電池以及智能皮膚等諸多領域有着巨大的應用前景。其中,柔性可穿戴壓力傳感器件作為柔性電子器件的重要分支,在人體生理信號持續監測方面有着重要的應用。聚二甲基矽氧烷(PDMS)基於其優異的生物相容性、柔性以及高透明度成為柔性壓力傳感器件的理想基底材料。而在高性能柔性壓力傳感器件的構築過程中,柔性基底微納結構表面的構築是賦予器件高靈敏度的關鍵,但是目前PDMS基底表面的微納結構化多基於模板複製技術,要求精細操作耗時長,不利於柔性傳感器件的大規模、低成本製備。



近日,日本慶應大學(Keio University)Seimei Shiratori研究團隊仿生魚鱗結構,基於空氣/水界面交聯成型技術簡便、低成本、大規模構築了表面具有仿魚鱗結構的PDMS柔性基底。基於該基底表面沉積高導電性石墨烯納米片,研究團隊構築了具有高靈敏度(−70.86 kPa-1)的柔性壓力傳感器件。該器件能夠被用於人體脈搏、呼吸、聲音振動等微弱生理信號的監測,在柔性可穿戴生理檢測器件方面展現出重要的潛在應用。

高性能柔性壓力傳感器件的結構示意圖。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces

研究團隊將PDMS預聚體與交聯劑的均勻混合物緩慢倒入水表面,基於水表面PDMS膜兩側的表面張力和溫度的差異,在空氣側PDMS表面由於彎曲應力作用形成一系列魚鱗狀微突起結構。該表面具有魚鱗結構的PDMS膜(FSP)具有高透明性和優異的柔韌性,同時力學性能測試顯示其平均拉伸強度可達4.13 N、拉伸伸長率為102.81%,相對於其他方法製備的PDMS膜性能只呈現略微下降。此外,通過XPS、FTIR測試表明,該FSP膜兩側的化學組成相同,整體膜的化學組成與矽模板複製製備的PDMS膜(PSI)組成相同。



FSP膜製備過程示意圖及化學組成、透明度測試。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces

SEM測試顯示,FSP膜底部(與水表面接觸側)具有較為平滑的表面,FSP膜頂部(空氣側)則具有高度~0.62 μm的魚鱗狀突起結構。理論分析表明PDMS預聚體混合物受到垂直方向的重力作用和水平方向的表面張力作用的綜合作用在水表面擴散。當PDMS預聚體形成薄膜時,其膜表面應力分佈呈現不均一性,與水接觸一側所受應力更大。在乾燥過程中,水分的揮發導致膜兩側壓力失衡,使得空氣側膜表面開裂形成魚鱗狀微結構。

FSP膜兩側的形貌表征。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces

此外,SEM測試表明FSP膜表面的魚鱗狀微結構呈現各向異性分佈。通過循環彎曲能夠在FSP膜表面生成裂紋,進一步增加其粗糙度,疏水性提高;當彎曲循環達500次後其表面疏水性趨於穩定(WCA~120°)。



循環彎曲對FSP膜表面疏水性的影響。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces

相對於銀納米線、單臂碳納米管、金屬薄膜等納米材料,石墨烯納米片(GNPs)其成本更低,因此研究團隊以GNP為PDMS基底表面導電層構築壓力傳感器。同時,對比研究發現摻雜部分PEDOT:PSS能夠顯著提升GNPs的導電性。研究人員採用膜轉移法將GNPs/PEDOT:PSS (G/P)複合膜沉積到PDMS基底表面,經過後續130 °C(20 min)加熱處理,在膜層間范德華力作用下形成穩定的界面。通過兩層FSP膜中間引入G/P複合導電膜構築壓力傳感器件,基於壓力作用下G/P複合膜界面結構的變化產生器件薄層電阻的變化,從而實現壓力感應。與之前報道的壓力傳感器相比,該FSP/G器件具有更高的靈敏度、更快的響應速度和優異的性能穩定性:當壓力刺激高於1 kPa,其靈敏度為−1.15 kPa-1;當壓力刺激小於1 kPa時,其靈敏度達−70.86 kPa-1;信號反饋時間約為82.6 ms。

FSP/G壓力傳感器件的性能測試。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces

同時,該柔性FSP/G壓力傳感器件與人體皮膚具有優異的共形性,在進一步的人體脈搏、呼吸和聲音振動等微弱生理信號監測應用測試中展現出優異的靈敏度和性能穩定性。

FSP/G壓力傳感器實際應用測試。圖片來源:ACS Appl. Mater. Interfaces

總結

區別於以往的柔性基底表面微納結構構築技術,該論文創新性的利用界面張力作用進行膜表面魚鱗狀微結構的製備。該方法簡便、高效、低成本,且過程可控。基於結構化PDMS基底構築的柔性壓力傳感器件展現出超高靈敏度和性能穩定性,作為柔性可穿戴器件在人體生理信號檢測方面具有重要的實際應用。該研究成果中柔性基底表面的微結構構築方法為其他柔性傳感器件的構築提供了參考和借鑑。

原文:

Bionic Fish-Scale Surface Structures Fabricated via Air/Water Interface for Flexible and Ultrasensitive Pressure Sensors

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, DOI: 10.1021/acsami.8b08933



Source:https://kknews.cc/news/yeemaab.html