成果簡介

柔性傳感器因其在人類活動監(jiān)測、醫(yī)療診斷和人機交互中的重要應用而受到越來越多的關注。然而，合理設計具有理想性能（例如，高靈敏度和穩(wěn)定性）和擴展應用的低成本傳感器仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。本文，南京工業(yè)大學林惠娟副研究員、朱紀欣課題組在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發(fā)表名為“Piezoresistive Pressure Sensor Based on a Conductive 3D Sponge Network for Motion Sensing and Human–Machine Interface”的論文，研究提出一種簡單且具有成本效益的策略，通過將聚氨酯（PU）海綿浸入氧化石墨烯溶液中，然后原位化學還原以構建還原氧化石墨烯（RGO）包裹的PU海綿傳感器。

由于PU海綿和導電RGO層具有優(yōu)異的抗壓彈性，所構建的柔性傳感器具有令人滿意的高靈敏度（17.65 kPa–1）在低負載范圍（0–3.2 kPa）、寬壓縮應變范圍（0–80%）和可靠的穩(wěn)定性（8000 次循環(huán)）中。此外，這些傳感器可以成功地應用于監(jiān)控人體運動和識別物體的重量。通過使用集成了信號采集電路的傳感器陣列，合理設計的傳感器可以在復雜任務中通過映射壓力的實時空間分布來實現(xiàn)觸覺反饋，并顯示出在柔性電子鋼琴、電子皮膚和家用電子產(chǎn)品遠程實時控制方面的潛在應用。

圖文導讀

圖1. (a) RGO@PU海綿傳感器的制備示意圖。(b,c)原始PU海綿和(d,e)RGO@PU海綿的SEM表面形貌圖像。(f) RGO@PU海綿在不同變形狀態(tài)下的照片。(g) 照片顯示RGO@PU海綿很容易被切割成不同形狀的標本。(h) RGO@PU海綿放在綠葉上。

圖2. RGO@PU海綿在不同狀態(tài)下的數(shù)碼照片

圖3. (a) RGO@PU海綿傳感器的相對電阻隨1mg mL-1 GO濃度的變化。

(b) 1mg mL-1 GO濃度的RGO@PU海綿傳感器在不同壓力下的靈敏度值。

(c) RGO@PU海綿傳感器的傳感機制的示意圖。

(d) 在不同應變下測量的RGO@PU海綿傳感器的I-V曲線。

(e) RGO@PU海綿在頻率為0.1Hz的各種循環(huán)壓力值下的相對電阻變化。

(f) 在不同頻率（0.05，0.1和0.2Hz）下，相對電阻變化與50%的應變的關系。

(g) RGO@PU海綿在壓縮應變?yōu)?0%，變形率為56mm/分鐘，8000次循環(huán)下的長期穩(wěn)定性測試。

圖4. RGO@PU海綿傳感器在人體運動檢測的各種應變中的應用

圖5.（a） 手指按壓過程中RGO@PU海綿傳感器的相對電阻變化。

（b） 包含海綿傳感器、電阻器、蜂鳴器和MCU RGO@PU信號電路的示意圖。

（c） 制作柔性音樂鋼琴鍵盤的照片。

（d，e）具有 4 × 4 像素和 3D 壓力分布以及每個像素的相應信號的傳感器陣列的照片。

（f，g）通過重量加壓施加的三個“點”壓力及其相應的信號

（h） 通過傳感器控制家用電子產(chǎn)品的原理圖電路。

（i，j）觸覺信號通過無線藍牙控制模塊打開和關閉家用電子產(chǎn)品（蜂鳴器、燈和風扇）。

小結(jié)

綜上所述，壓阻式傳感器由高彈性3D多孔PU海綿組裝而成，該海綿包裹有導電RGO層，在壓縮過程中提供導電路徑。當受到外部刺激時，導電RGO層中的微裂紋、變形和海綿骨架的接觸會導致電阻變化，使海綿傳感器具有更高的靈敏度（17.65 kPa–1）和長期耐用性（8000 次循環(huán)）。此后，傳感器可用于準確檢測有規(guī)律的人體運動（例如，手指彎曲、手腕彎曲），或識別具有不同輸出電信號的各種重量的物體。此外，集成傳感器陣列和信號采集電路應用于柔性電子鋼琴制造、電子皮膚以及通過藍牙技術遠程實時控制家用電子產(chǎn)品，為柔性電子在智能應用場景中提供了可行的嘗試。

文獻：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c18203