研究背景

在过去的几十年里，柔性压力传感器由于具有将机械刺激信号转化为可直接测量的电信号的典型特性，在医疗监测、生物医学研究、人机交互、智能家居、智能农业等领域取得了很大的进展。根据工作原理，压力传感器可分为四种，即压阻式、电容式、压电式和摩擦静电式。其中，压阻式由于具有数据可读性好、可靠性高、工艺简单、成本低、响应快、检测范围广等优点，已逐渐被认为是下一代柔性压力传感器的合格人选。近年来的研究极大地促进了压力传感器的发展，特别是压阻式压力传感器，然而，各种应用场景对传感器的各种性能都有很高的要求。高灵敏度、宽广的测量范围和良好的耐磨性到目前为止仍然是压力传感器的一大挑战。

压阻式压力传感器的性能直接取决于活性层的微观结构的作用方式和活性层所用材料的机电性能。一方面，包括碳材料(碳纳米管、 碳黑、石墨烯)、 金属材料(金纳米线、金纳米粒子)、导电聚合物(PEDOT:PSS)和化合物材料(MoS₂ ，MXene)在内的多种材料已被广泛用于作为传感器的活性层。MXene容易氧化失效；其性能不如碳纳米管(CNT) 稳定，而且金属材料和聚合物基体之间的结合力难以控制，这往往导致聚合物基体的弹性发生较大变化。此外，直接使用导电聚合物作为敏感层，往往使传感器的弹性和抗静电性能较差。然而，由于碳原子之间的SP2杂化，碳纳米管的高模量和高强度已被证明。此外，由于碳纳米管具有非常大的长宽比和比表面积以及出色的导电性，因此碳纳管具有出色的导热性。碳纳米管的这些特性非常有利于制备高性能的压阻传感器。

研究成果

在医疗健康和人机互动方面的应用需要高性能的可穿戴传感器，但由于灵敏度、压力范围和耐久性之间的权衡，其应用受到限制。在此，上海交通大学Zhao Ning、杨斌教授等人提出了碳纳米管(CNTs) 的联合喷涂和自我扩散过程，以平衡和改善这些参数，在薄膜固化之前，CNTs 自发地扩散到薄膜表面。所获得的传感器不仅实现了高灵敏度(155.54 kPa^-1) 和超宽的压力检测范围(0.1-500 kPa)，而且还表现出卓越的耐久性(300 kPa的高压下超过12000个压力循环)。此外，该传感器还表现出快速响应(25 ms)、良好的稳定性和充分的灵活性。这种工艺是一种通用的方法，可以改善各种类型的薄膜压阻传感器的性能。此外，制造的传感器可以灵活地扩展成传感器阵列，并与智能设备通信，实现无线智能监测。目前，该传感器在智能医疗健康和运动传感领域显示出广阔的应用前景。相关研究以“Flexible Pressure Sensors with Combined Spraying and Self-Diffusion of Carbon Nanotubes”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

研究亮点

1. 受人体真皮结构的启发，基于砂纸形态和PDMS/CNTs (SPC)，提出了一种结合喷涂、旋涂和扩散的工艺，可以大规模生产，用PDMS成功复制了砂纸表面的凹凸微结构，并将碳纳米管纳入微结构表面。2. 巧妙地将活性材料扩散到基材表面，彻底解决了活性材料与基材杨氏模量不匹配造成的器件失效问题。3. 这是一个可扩展的、简单的、低成本的策略，使传感器非常耐用和稳定。

图文导读

Figure 1. Design principle and preparation process of the SPC sensor.

Figure 2. Characterization of the SPC film.

Figure 3. Sensing performance of the SPC sensor.

Figure 4. Comparison of the sensitivity and pressure range of the SPC sensor and existing pressure sensor.

Figure 5. SPC sensor is used to measure the shear force between the mass and the inclined plane.

Figure 6. SPC sensors are used to monitor human physiological signals and motion signals.

Figure 7. SPC sensor-based plantar pressure monitoring FPC insoles and wireless sensing performance.

总结与展望

综上所述，提出了一种将CNTs扩散到21 -23 μm的柔性薄膜表面的一般工艺，其目的是结合PDMS表面的仿生凹凸微观结构来平衡和提高传感器的灵敏度、压力范围和耐久性。使用该工艺制备的SPC传感器表现出155.54 kPa^-1的超高灵敏度和高达500 kPa的宽广压力范围。同时，即使在300 kPa的高压下，它也表现出卓越的耐用性，超过12000次压力循环。此外，SPC传感器还具有灵活性、极短的响应时间(25 ms)和恢复时间(30 ms)，以及低成本和高可靠性的特点。我们将SPC传感器应用于剪切力测试。重物和斜面之间的剪切力被测量在误差范围内，表明其稳定性良好。SPC传感器也被用于人体的不同位置，监测人体运动信号和生理信号。SPC传感器被集成到FPC鞋垫中用于步态分析，显示了其出色的空间感知能力。SPC传感器的数据可以通过蓝牙传输到手机上，实时显示检测信息。这些应用表明，SPC传感器在柔性可穿戴电子设备和智能医疗领域具有重要的潜在应用。

文献链接Flexible Pressure Sensors with Combined Spraying and Self-Diffusion of Carbon Nanotubes，https://doi.org/10.1021/acsami.2c12240.