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南京工业大学:石墨烯/PU海绵传感器,用于运动传感和人机界面
来源:材料分析与应用 发表于 2023/1/12

成果简介

柔性传感器因其在人类活动监测、医疗诊断和人机交互中的重要应用而受到越来越多的关注。然而,合理设计具有理想性能(例如,高灵敏度和出色稳定性)和扩展应用的低成本传感器仍然是一个巨大的挑战。本文,南京工业大学林惠娟副研究员、朱纪欣课题组在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Piezoresistive Pressure Sensor Based on a Conductive 3D Sponge Network for Motion Sensing and Human–Machine Interface”的论文,研究提出一种简单且具有成本效益的策略,通过将聚氨酯(PU)海绵浸入氧化石墨烯溶液中,然后原位化学还原以构建还原氧化石墨烯(RGO)包裹的PU海绵传感器。


由于PU海绵和导电RGO层具有优异的抗压弹性,所构建的柔性传感器具有令人满意的高灵敏度(17.65 kPa–1)在低负载范围(0–3.2 kPa)、宽压缩应变范围(0–80%)和可靠的稳定性(8000 次循环)中。此外,这些传感器可以成功地应用于监控人体运动和识别物体的重量。通过使用集成了信号采集电路的传感器阵列,合理设计的传感器可以在复杂任务中通过映射压力的实时空间分布来实现触觉反馈,并显示出在柔性电子钢琴、电子皮肤和家用电子产品远程实时控制方面的潜在应用。


图文导读

图1. (a) RGO@PU海绵传感器的制备示意图。(b,c)原始PU海绵和(d,e)RGO@PU海绵的SEM表面形貌图像。(f) RGO@PU海绵在不同变形状态下的照片。(g) 照片显示RGO@PU海绵很容易被切割成不同形状的标本。(h) RGO@PU海绵放在绿叶上。

图2. RGO@PU海绵在不同状态下的数码照片

图3. (a) RGO@PU海绵传感器的相对电阻随1mg mL-1 GO浓度的变化。


(b) 1mg mL-1 GO浓度的RGO@PU海绵传感器在不同压力下的灵敏度值。


(c) RGO@PU海绵传感器的传感机制的示意图。


(d) 在不同应变下测量的RGO@PU海绵传感器的I-V曲线。


(e) RGO@PU海绵在频率为0.1Hz的各种循环压力值下的相对电阻变化。


(f) 在不同频率(0.05,0.1和0.2Hz)下,相对电阻变化与50%的应变的关系。


(g) RGO@PU海绵在压缩应变为40%,变形率为56mm/分钟,8000次循环下的长期稳定性测试。

图4. RGO@PU海绵传感器在人体运动检测的各种应变中的应用

图5.(a) 手指按压过程中RGO@PU海绵传感器的相对电阻变化。


(b) 包含海绵传感器、电阻器、蜂鸣器和MCU RGO@PU信号电路的示意图。


(c) 制作柔性音乐钢琴键盘的照片。


(d,e)具有 4 × 4 像素和 3D 压力分布以及每个像素的相应信号的传感器阵列的照片。


(f,g)通过重量加压施加的三个“点”压力及其相应的信号


(h) 通过传感器控制家用电子产品的原理图电路。


(i,j)触觉信号通过无线蓝牙控制模块打开和关闭家用电子产品(蜂鸣器、灯和风扇)。


小结

综上所述,压阻式传感器由高弹性3D多孔PU海绵组装而成,该海绵包裹有导电RGO层,在压缩过程中提供导电路径。当受到外部刺激时,导电RGO层中的微裂纹、变形和海绵骨架的接触会导致电阻变化,使海绵传感器具有更高的灵敏度(17.65 kPa–1)和长期耐用性(8000 次循环)。此后,传感器可用于准确检测有规律的人体运动(例如,手指弯曲、手腕弯曲),或识别具有不同输出电信号的各种重量的物体。此外,集成传感器阵列和信号采集电路应用于柔性电子钢琴制造、电子皮肤以及通过蓝牙技术远程实时控制家用电子产品,为柔性电子在智能应用场景中提供了可行的尝试。


文献:


https://doi.org/10.1021/acsami.2c18203


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