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臧剑锋教授课题组在柔性应变传感器研究方面取得进展
发布时间:2017-12-05 09:21:50 作者: 来源: 点击率:

近年来,可穿戴的柔性电子设备因其可穿戴,重量轻,高灵活性等特点,受到了人们广泛的关注和研究。人体各处的大大小小的形变如脉搏振动,声带振动,四肢运动都可以被附着在皮肤表面的柔性应变传感器实时监测。开发柔性应变传感器的重要考虑因素,是选择合适的材料和器件结构,以实现高灵敏度,灵活性,耐久性,快速响应,稳定性,线性度等要求。在这些标准中,对于一些需要检测微小应变(<1%)的场合如脉搏振动,超高灵敏度就尤为重要。因此,当前亟待开发超高灵敏度的应变传感器。

最近,华中科技大学光学与电子信息学院臧剑锋教授团队在该领域取得新进展。2017年11月12日,美国化学学会旗下期刊《应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces,IF=7.504)在线发表了该团队的基于“摩擦直写”技术和渗流导电理论的超高灵敏柔性应变传感器研究最新成果,论文题为“Precise Engineering of Conductive Pathway by Frictional Direct-Writing for Ultrasensitive Flexible Strain Sensors”(论文链接http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.7b14501)。

该团队从应变传感器中导电传感层的形成原理入手,在导电传感层的二维平面中,随着导电颗粒含量的增加,导电传感层的电阻将会越来越小。当导电颗粒的含量到达渗流阈值点Φc时,将发生二维渗流金属-绝缘体的跃迁,表现出来的是电阻的急剧下降。在渗流阈值点附近的导电层处于极其敏感的状态,任何外部扰动(比如增加导电颗粒含量,施加微小应变)将显著地影响电阻的变化。

基于这些理论,博士生曾志康在臧剑锋教授和喻研老师的指导下,采用石墨作为导电材料,氧化铝/聚酯复合膜作为柔性基底,提出“摩擦直写”技术,制备出了超高灵敏度的应变传感器。该传感器在应变为0.9%时的应变因子GF(Gauge Factor)高达9720,最小应变探测可达0.05%,应变探测分辨率可达0.05%,在目前已知的报道中拥有最高的探测灵敏度,很好地满足了微小应变探测的需求。此外,该传感器有较快的响应时间40ms,以及较高的稳定性,在5000次以上的反复弯曲以后依然保持原有性能。基于这些优异性能,该团队对其传感器进行了多种应用的展示,包括基于胸腔的呼吸模式识别,基于声音振动的语音识别等等。这些应用展示显示出该应变传感器广泛的应用前景。

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博士生曾志康是该工作的第一作者,臧剑锋教授和喻研老师为通讯作者。

该研究工作获得国家自然科学基金青年项目“柔性聚合物衬底上单层二维原子晶体的软接触摩擦制备及机理研究”、国家自然科学基金面上项目“柔性二维材料的折纸技术实现材料性能定制的研究”,以及青年千人计划的支持。