陜西科技大學(xué)馬建中教授、鮑艷教授、張文博副教授團(tuán)隊(duì)在Advanced FiberMaterials上發(fā)表了題為“Synergy of ZnONanowire Arrays and Electrospun Membrane Gradient Wrinkles in PiezoresistiveMaterials for Wide Sensing Range and High Sensitivity Flexible Pressure Sensor”的研究成果，報(bào)道了一種基于互鎖與高度梯度褶皺微結(jié)構(gòu)的電紡聚氨酯纖維壓阻傳感器（圖1）。傳感器具有高的靈敏度、寬的傳感范圍以及極高的壓力分辨率，同時(shí)表現(xiàn)出快速響應(yīng)、低的檢測(cè)限和優(yōu)異的耐久性。研究者們將傳感器安裝在人體的不同部位，成功實(shí)現(xiàn)了人體全范圍的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、高壓下分辨物體的加載和卸載以及區(qū)分物體的重量，充分體現(xiàn)了傳感器在穿戴式傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值。

圖1 基于互鎖與高度梯度褶皺微結(jié)構(gòu)的電紡聚氨酯纖維壓阻傳感器示意圖

本工作提出的電紡聚氨酯基壓阻傳感器由具有MXene嵌入ZnO納米線陣列的高度梯度褶皺聚氨酯電紡膜（ZAGW）組成（圖2a），ZAGW的制備過(guò)程如下：首先，通過(guò)電紡技術(shù)制備聚氨酯電紡膜；其次，將聚氨酯電紡膜依次在MXene水溶液中浸涂、ZnO種子液中浸涂、ZnO生長(zhǎng)液中水熱以及MXene水溶液中超聲，以在聚氨酯纖維表面生長(zhǎng)ZnO納米線陣列并在陣列的間隙中插入MXene（圖2c）；最后，將經(jīng)表面處理的聚氨酯電紡膜轉(zhuǎn)移到經(jīng)特殊預(yù)拉伸的VHB基體上，釋放預(yù)應(yīng)變以構(gòu)筑高度梯度褶皺結(jié)構(gòu)（圖2b,d）。

圖2ZAGW制備流程示意圖、表面的光學(xué)顯微鏡、SEM照片及三維重建圖像

ZAGW傳感器的靈敏度分為四個(gè)區(qū)間（圖3a）。在0-0.2 kPa的微小壓力區(qū)間，ZAGW傳感器的靈敏度為236.5 kPa-1。當(dāng)施加的壓力增大時(shí)，ZAGW傳感器在0.2-35、35-120和120-260 kPa區(qū)間的靈敏度分別為35.8、6.1和1.2 kPa-1。圖3b為ZAGW傳感器在不同循環(huán)壓力下的相對(duì)電流變化，展現(xiàn)了其對(duì)各種壓力的區(qū)分能力以及穩(wěn)定的傳感響應(yīng)。圖3c表明了ZAGW傳感器的傳感響應(yīng)不受頻率的影響。圖3d展現(xiàn)了ZAGW傳感器100/60 ms的快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間。圖3e展現(xiàn)了ZAGW傳感器低至2.3 Pa的檢測(cè)限。此外，通過(guò)10000次循環(huán)壓力實(shí)驗(yàn)，證明了ZAGW傳感器具有優(yōu)異的耐久性（圖3f）。

圖3ZAGW壓阻傳感器的性能表征

圖4展示了ZAGW傳感器在不同壓力下感知微小壓力的能力，具有0.04%的高壓分辨率。

圖4ZAGW壓阻傳感器的極高壓力分辨率

在初始狀態(tài)下（圖5b），上層和下層ZAGW之間的輕微接觸會(huì)導(dǎo)致較高的接觸電阻。當(dāng)施加微小壓力時(shí)（圖5c），大量的MXene嵌入氧化鋅納米線陣列會(huì)形成互鎖，導(dǎo)致接觸面積急劇變化，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度。隨著壓力的持續(xù)增加（圖5d-f），具有梯度高度的皺褶結(jié)構(gòu)可以通過(guò)從最高層到最低層接觸皺褶的逐級(jí)激活來(lái)延緩接觸面積的飽和，從而實(shí)現(xiàn)寬的傳感范圍。這也通過(guò)下層ZAGW接觸界面在不同壓力下的形態(tài)變化所證實(shí)（圖5g-j）。

圖5 ZAGW壓阻傳感器的工作機(jī)理

圖6a-f展現(xiàn)了ZAGW傳感器可以實(shí)現(xiàn)全范圍的人體運(yùn)動(dòng)活動(dòng)監(jiān)測(cè)。圖6g表明了ZAGW傳感器具有在高壓下分辨物體加載和卸載的能力。圖6h表明了ZAGW傳感器具有區(qū)分物體重量的能力。

圖6ZAGW壓阻傳感器的應(yīng)用

綜上所述，本工作提出了一種基于互鎖與高度梯度褶皺微結(jié)構(gòu)的電紡聚氨酯纖維壓阻傳感器，具有高的靈敏度、寬的傳感范圍以及極高的壓力分辨率，同時(shí)表現(xiàn)出快速響應(yīng)、低的檢測(cè)限和優(yōu)異的耐久性。此外，在本工作中，通過(guò)將傳感器安裝在人體的不同部位，成功實(shí)現(xiàn)了人體全范圍的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、高壓下分辨物體的加載和卸載以及區(qū)分物體的重量，凸顯了在穿戴式傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值。