碳纳米管/石墨烯薄膜与仿生叶片结合用于高性能柔性压力传感器

近年来,柔性压力传感器因在人体运动识别、生理信号监测、人机交互等领域的广阔应用前景而备受关注。一种典型的柔性压力传感器的构建方法是采用柔性聚合物作为衬底和封装材料,通过上下两个导电层之间接触电阻的变化来反映压力的大小。灵敏度、响应时间、稳定性等是评估压力传感器性能的重要指标。近日,清华大学化学系张莹莹团队以取向碳纳米管/石墨烯薄膜作为导电层,以印模了植物叶片表面多级结构的硅胶作为支撑层,制备了一种透明柔性的高灵敏压力传感器(见图1)。

AFM-zhangyingying

图1 高性能柔性压力传感器的制备示意图

研究者通过柔性聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)印模植物叶片,得到了具有多级微纳结构的柔性基底。从碳纳米管垂直阵列中直接抽出的取向碳纳米管薄膜附在铜箔表面,然后以此作为基底用于化学气相沉积法生长石墨烯,从而得到了取向碳纳米管/石墨烯复合薄膜材料。该薄膜结合了一维碳纳米管与二维石墨烯的优势,呈现了优异的导电性、良好的结构强度和透光率。将该复合薄膜转移到PDMS表面用于构筑压力传感器。石墨烯的存在使得复合薄膜可与微结构基底保形接触,从而有利于获得高稳定性;基底表面的多级微结构与碳纳米管薄膜的取向有助于提高传感器的灵敏度和快速响应。该柔性压力传感器的灵敏度为19.8 kPa-1,超过大部分已报道的压力传感器;最低检测限为0.6 Pa,相当于一个小水滴施加的压力(传感器面积为2.25 cm2)(见图2);响应时间小于16.7 ms;得益于复合薄膜优异的导电性,其驱动电压仅为0.03 V,有助于在低功耗可穿戴器件中使用;稳定性突出,经过35000次循环仍保持稳定。

AFM-zhangyingying1

图2 多级微结构基底的形貌表征及柔性压力传感器的性能表征

该高性能柔性压力传感器可检测弯曲、扭转等机械力;也可以贴在人体皮肤上,检测脉搏等信号;可以识别声波振动,有望用于智能语音识别、发声监测等领域。该传感器采用简便的印模工艺得到具有多级微结构柔性基底,与具有独特结构的取向碳纳米管/石墨烯薄膜结合,制备了高灵敏、低检测限、快速响应、稳定可靠的柔性压力传感器,有望用于可穿戴电子器件、电子皮肤等领域。

相关研究成果近期发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201606066)上,第一作者是清华大学化学系博士研究生蹇木强。

Speak Your Mind

*