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基于水凝胶体系的超高灵敏度传感器

发布时间:2019-04-10 访问次数:592次 来源: 柔性电子服务平台 分享:

传感器就是能够检测事件或环境等变化(如光,温度和声音)的设备,已经在我们的日常生活中广泛应用。现今,科研人员正努力开发新型传感器以满足下一代电子设备工作所需的生理和环境数据。其中,应变传感器可以检测重量,压力,扭矩,张力和剪切力的变化,可用于实现检测人体运动,软体机器人,和仿生假肢等方面。新型的应变传感器除了需要具备高灵敏度,良好的线性度和快速响应之外,还需要高拉伸性,柔韧性以及良好的耐用性。

传统的基于半导体工艺的应变传感器难以适应高应变场合,例如弯曲,折叠和扭曲等环境。为了开发符合特定场合的高性能的应变传感器,目前的研究主要集中在弹性体,纸, 聚合物,以及金属等材质作为传感器的基板或基质。主要方案就是将半导体材料与金属基板的集成,或将导电填料添加到基质材料中。由于对监测人体运动的巨大需求,通过将导电填料加载到弹性体基质中来开发可拉伸和柔性的应变传感器。通过这种方式制备的柔性传感器的机械性能与人体器官相当,因此可以用于可穿戴和可植入等设备。

柔性应变传感器是通过检测不同的应力的变化下,弹性基质材料的电阻,电容,或介电常数随着而产生的变化数值。因此,弹性基质的机械性能在决定应变传感器的性能上起着至关重要的作用。市售的弹性体如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和Ecoflex已被广泛用作可拉伸的基质; 然而受限于材料特质,无法实现高灵敏度和拉伸性。例如,PDMS的高模量(≈1-3MPa )和低拉伸性(≈200 %)使得器件的适用性非常有限。尽管Ecoflex具有较高的拉伸性能,该材料制造应变传感器需要多步骤工艺,包括高温下的化学气相沉积以及长的固化时间。[因此,通过简单易行的工艺开发具有高灵敏度和拉伸性的应变传感器材料仍然是一个尚未解决的挑战。

近期,韩国釜山大学的研究者们使用柔性水凝胶纤维作为传感器的矩阵,开发了高拉伸度和高灵敏性的应变传感器。水凝胶由交联聚合物网络和大量水组成,因而和生物体具有良好的相容性,非常适用于可穿戴或可植入设备。传统的水凝胶难以实现稳定的拉伸,因此不能用于制造可拉伸的应变传感器。韩国的研究人员通过制备双网络(DN)水凝胶结构,将脆性的第一网络和具有拉伸性能第二网络组合,以增强基质的强度和韧性。此外,DN水凝胶的可拉伸应变传感器可以使用微流体装置以微纤维的形式制造。通过简单的工艺可以轻易地生产出米长的微纤维,然后将它们切割成最终应用的优化长度。将微纤维组装成为应变传感器,测试结果表明了具有高拉伸性和高灵敏度,以及长期的循环稳定性。

1.a)用于制备具有由同轴排列的玻璃毛细管组成的微流体装置的DN水凝胶微纤维的实验装置的示意图。DN微纤维分两步制备。步骤1:通过离子交联将钙离子扩散到藻酸钠中以形成Ca-ALG模板。步骤2:单体通过光聚合交联。 b)制备的DN微纤维导线的照片和显微镜放大图。

图1 说明了使用由同轴排列的玻璃毛细管组成的微流体装置制备可拉伸导电微纤维的方案。首先,配置水性预胶溶液,将丙烯酰胺(溶液AAM),海藻酸钠(NA- ALG),交联剂和导电聚合物PEDOT:PSS混合均匀为溶液。PEDOT:PSS 是由离子相互作用形成的PEDOT和PSS的聚合物共混物; 由于其高稳定性,在水溶液中的可加工性和高导电性。然后将AAM的光引发剂加入到预胶溶液中,并将所得溶液注入内毛细管中,同时将氯化钙溶液注入外毛细管中。两种溶液在同轴排列的毛细管的连接处结合,其中钙离子扩散到从内毛细管流出的单体溶液中。此时,藻酸盐骨架和钙离子之间的离子桥快速形成,产生交联的藻酸钙(Ca-Alg)纤维形式的模板(图1a中的步骤1)。由于钙离子和藻酸盐骨架之间的离子交联,所形成的微纤维可在流动期间保持其形状。在图1a的步骤2中,在流动期间UV光照射在形成的微纤维上以引发AAm和BisAA之间的自由基交联。最后,含有海藻酸钙和交联PAAm的 DN水凝胶通过微流体制造获得微纤维。聚合后,将制备的水凝胶微纤维浸入乙二醇(EG)中。研究表明EG用作溶胀介质可以防止水凝胶微纤维的干燥并且通过重新排序效果增强PEDOT:PSS的导电性。如图1b所示,制备的聚合物微纤维长且连续,具有均匀的直径。每个微纤维的总长度约为50厘米。由于微纤维的制造过程是连续的,因此通过增加单体溶液的体积,可以通过所开发的方法制备几米长的微纤维。

2. aPAAmCa-AlgPEDOTPSS和微纤维的网络结构图。 PAAmBisAA共价交联,Ca-Alg通过离子键形成,PEDOTPSS链紧密堆积在DN;在拉伸和恢复状态下的DN微纤维发生结构变化。 b)处于恢复状态下和300%伸长率的微纤维照片。 cPAAm / Ca-Alg / PEDOT以及DN微纤维的应力-应变曲线。


图3. a)处于正常和伸长状的DN微纤维作为导线用于点亮LED灯泡。 b)不同含量PEDOT:PSS在DN微纤维的拉伸-电阻变化曲线。 c)以5%拉伸伸长率为检测标准,测试拉伸状态下的电阻响应时间。 d)不同拉伸状态下的PEDOT:PSS域的变化的结构模型。 e)DN微纤维线在从0.1%至10%的不同拉伸情况下的电阻变化示意图。 f)DN微纤维中在10000次伸长率下的电阻变化情况。

图4. a)由DN微纤维电极,铜线和弹性带组成的应变传感器的照片。 b)照片显示DN微纤维的应变变化,取决于食指的弯曲状态和弯曲程度。 c)通过弯曲食指引起的DN微纤维伸长率的电阻变化。 d)DN微纤维的拉伸变化取决于在跑步机上运动时膝盖的弯曲。 e)通过以各种跑步机速度连接到膝盖的DN微纤维来确定步幅。 f)照片显示在竹子植物的茎上安装DN微纤维以监测其生长。 g)通过制造的应变传感器测量的竹子的生长及其衍生曲线,显示生长速率相对于明暗条件的变化。