四川大学邓华教授团队：低成本、可规模化方法制备高性能、多功能压力传感器

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电阻型压力传感器由于精度高、监测范围宽、信号处理和装置结构简单等优势受到了学术界的广泛关注。但是，传统的压力传感器通常会在高压力区域下导电通路过早的达到饱和，因此会表现出比较低的敏感性。另外，为了满足传感器小体积、轻量化和可穿戴的发展需求，多功能压力传感器的开发也十分必要。虽然目前也有一些关于多功能应变传感器的报道，但是这些方法典型的需要将不同功能的传感元件整合到屈曲的基板上，这导致传感器的制备耗时、成本高、不易大规模推广。

针对目前压力传感器发展中的一些问题，邓华教授团队通过结合逾渗网络-接触电阻协同效应，并采用新颖的传感器结构设计，实现了高性能、多功能压力传感器的制备。这种传感器能够在0-500 kPa的压力范围内实现1×10⁶ kPa^-1的超高敏感性。此外，通过设计传感器的结构和控制导电填料的浓度，传感器也实现了弯曲和温度的监测能力。该研究成果以题为“Ultrasensitive Thin-Film Pressure Sensors with a Broad Dynamic Response Range and Excellent Versatility Toward Pressure, Vibration, Bending, and Temperature”的论文发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》。

图1. 压力传感器的制备流程和结构表征

压力传感器主要由两部分组成。首先是由弹性体热塑性硫化硅橡胶（TPV）和导电金属颗粒镍（Ni）通过熔融共混后，经过两步热压得到的敏感层。采用商业化的导电玻璃PET/ITO，在导电ITO层经过激光选择性刻蚀得到电极层。热压法得到的表面微结构能够在施加应力时集聚应力，从而在内部形成逾渗网络的同时，提供更多的与电极之间的接触面积。

图2. 压力敏感及相关性能表征

结合逾渗通路和接触电阻的变化。在低压力范围内，敏感层与电极层的接触面积迅速扩大，随后在高应力区域达到饱和。与之相反，在低压力区域由TPV/Ni复合材料薄膜构成的敏感层的逾渗电阻变化不大，而在高应力范围内敏感层的导电通路快速建立。结合这两种互补的变化趋势，制备的传感器在宽范围内表现出超高的压力敏感性。即使在高应力区间（20-500 kPa）敏感性有所降低，但是依然能够保持3.1×10⁴ kPa^-1的高敏感性能，这种性能远高于传统压力传感器的敏感性。

图3. 震动和弯曲应变监测表征

在施加压力时，传感器展现出< 5ms的响应和恢复时间，这使得传感器能够监测震动引起的瞬时压力变化。另外，当传感器发生弯曲时，其外层（敏感层）会产生弯曲诱导应变，该应变与样品厚度和弯曲半径有关，可由Euler-Bernoulli 公式计算。因此，当传感器被弯曲到不同的曲率时，外层TPV/Ni薄膜由于应变下电阻发生变化，会导致压力传感器做出响应，以此实现弯曲监测能力。

图4. 压力和温度分布监测

在文章最后，通过将大尺寸微结构化的TPV/Ni复合材料薄膜两侧印刷铜电极，作者制备了压力和温度分布监测阵列。通过测量在应力下每个像素点的电阻变化，传感器实现了很好的压力分布监测能力。由于敏感层中填料含量在逾渗范围内，因此在升温时由于基体体积膨胀会导致其电阻增加。这种现象使得传感器能够监测由于局部温度变化导致的温度差异，从而将温度分布可视化。总之，文章通过低成本、可规模化的方法制备了高性能、多功能压力传感器，这可能在下一代可穿戴电子装置中有潜在的应用价值。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.0c05618

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