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，同時表現(xiàn)出快速響應(yīng)、低的檢測限和優(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)動監(jiān)測、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的制備過程如下：首先，通過電紡技術(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生長液中水熱以及MXene水溶液中超聲，以在聚氨酯纖維表面生長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，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)壓力下的相對電流變化，展現(xiàn)了其對各種壓力的區(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)時間。圖3e展現(xiàn)了ZAGW傳感器低至2.3 Pa的檢測限。此外，通過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之間的輕微接觸會導(dǎo)致較高的接觸電阻。當(dāng)施加微小壓力時（圖5c），大量的MXene嵌入氧化鋅納米線陣列會形成互鎖，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)可以通過從最高層到最低層接觸皺褶的逐級激活來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)動活動監(jiān)測。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，同時表現(xiàn)出快速響應(yīng)、低的檢測限和優(yōu)異的耐久性。此外，在本工作中，通過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)動監(jiān)測、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)用價值。