我院张敏老师课题组在可拉伸应力传感器研究中取得重要进展

2018-06-26 22:27:46

    可拉伸应力传感器因其在可穿戴设备、人机交互系统等领域广泛的应用前景,吸引了诸多关注。具备高可拉伸性、灵敏度、线性度和宽检测范围的应力传感器在人体运动、姿态检测、表情检测、生理体征检测等应用领域具有迫切的需求。现有的可拉伸应力传感器多是将一维导电材料(如碳纳米管,纳米纤维或金属纳米线等),通过旋涂、打印等方法分散到可拉伸衬底上作为传感材料。其电阻随应力而变化,从而制备电阻式应力传感器。而在这种传统结构中,一维材料组成的随机网络会在拉伸释放后发生弯曲或团簇,导致电阻不可恢复的增加。此外,电阻值在小拉伸时增加很小;但在大拉伸下,同样单位的拉伸将导致电阻陡增。这导致传感器的电阻与应力呈非线性相关,并且在小拉伸时不灵敏。

    近日,北京大学信息工程学院张敏老师课题组研制出一种新型的,同时实现高线性度和宽检测范围的可拉伸应力传感器。不同于平面型碳纳米管随机网络,研究中利用Ecoflex转移PECVD方法生长的竖直碳纳米管阵列,生成鱼鳍状的微结构。碳纳米管保持竖直状态,大部分嵌入到聚合物中,少量露出并且相互连接,构成导电通路。在拉伸下,碳纳米管随衬底移动,导致导电通路断开,电阻增加。而在拉伸释放后,碳纳米管也能随聚合物一同恢复初始位置,使得电阻恢复,保证了传感器的稳定性和高线性度。此外,采用Ecoflex作为衬底材料,显著提高了传感器的拉伸极限,从而实现了传感器的宽范围检测,能够覆盖包括心跳、发声、表情等带来的微小应力和肢体运动带来的大拉伸应力。在提高应力传感器的检测范围、改善传感器线性度,以及拓展其功能和应用范围方面取得了重要突破。

    相关研究成果以《Vertical CNT-EcoflexNanofins for Highly Linear Broad-Range-Detection Wearable Strain Sensors》(《基于竖直碳纳米管-Ecoflex纳米鳍的高线性宽检测范围可穿戴应力传感器》)为题,于2018年5月发表于领域内重要期刊Journal of Materials Chemistry C《材料化学期刊 C》上(DOI: 10.1039/c7tc05571d),并被选为内封面(inside front cover)刊出。信息工程学院2015级硕士研究生张硕为第一作者,张敏老师为通讯作者。上述研究工作得到了深圳市科技研发资金基础研究自然探索项目,国家自然科学基金等支持。

                                                               (供稿人:张硕)