基于三维导电网络多孔敏感层的柔性电阻式应变传感器_张鹏.pdf

收稿日期:2022-10-27基金项目:国家自然科学基金重大研究计划(91848206)通信作者:黄梁松,副教授,博士,主要从事机器人技术、柔性电子皮肤的研究。E-mail:lshuang 电子元件与材料Electronic Components and Materials第 42 卷Vol.42第 5 期No.55 月May2023 年2023基于三维导电网络多孔敏感层的柔性电阻式应变传感器张 鹏,张 坤,张齐峰,李玉霞,黄梁松(山东科技大学 电气与自动化工程学院,山东 青岛 266590)摘 要:柔性应变传感器在人体运动检测、人机交互等可穿戴领域应用潜能巨大。设计了一种基于三维导电网络多孔敏感层的柔性电阻式应变传感器。基于炭黑(CB)/石墨烯纳米片(GNP)/热塑性聚氨酯(TPU)导电复合材料构成敏感层的三维导电网络。采用非溶剂致相分离法诱导 TPU 的分离在敏感层内部制造多孔结构。由于高效的协同导电网络和多孔微结构的有效结合,传感器具有较高的灵敏度(应变系数最大为 40.66)、较宽的拉伸范围(=0 25%)和良好的循环拉伸可靠性。实验表明,该传感器的电阻输出变化在检测手指弯曲/恢复过程中具有较好的对称性,在智能可穿戴领域展示出潜在的应用价值。关键词:柔性应变传感器;炭黑;石墨烯纳米片;三维导电网络;多孔微结构中图分类号:TP212文献标识码:ADOI:10.14106/ki.1001-2028.2023.1647引用格式:张鹏,张坤,张齐峰,等.基于三维导电网络多孔敏感层的柔性电阻式应变传感器 J.电子元件与材料,2023,42(5):521-525.Reference format:ZHANG Peng,ZHANG Kun,ZHANG Qifeng,et al.Flexible resistance strain sensor based on poroussensitive layer of three-dimensional conductive network J.Electronic Components and Materials,2023,42(5):521-525.Flexible resistance strain sensor based on porous sensitive layer ofthree-dimensional conductive networkZHANG Peng,ZHANG Kun,ZHANG Qifeng,LI Yuxia,HUANG Liangsong(College of Electrical and Automation Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,Shandong Province,China)Abstract:Flexible strain sensors have great potential in wearable fields such as human motion detection and human-computer interaction.A flexible resistance strain sensor based on porous sensitive layer of three-dimensional conductivenetwork was designed.The three-dimensional conductive network of the sensitive layer was formed based on the conductivecomposite,which contained carbon black(CB)/graphene nanoplatelet(GNP)/thermoplastic polyurethane(TPU).Nonsolvent induced phase separation method was used to separate TPU to produce porous structure inside the sensitive layer.Owing to the effective combination of highly efficient synergetic conductive network and porous microstructure,the designedsensor has high sensitivity(GF=40.66),wide strain range(=0-25%)and good cyclic tensile reliability.The experimentsshow that the output of the sensor has good symmetry in the detection process of finger bending/recovery,which showspotential in the field of intelligent wearable devices.Keywords:flexible strain sensor;CB;GNP;three-dimensional conductive network;porous microstructure 柔性电阻式应变传感器(FRSS)因具有设计制造简单、优异的可拉伸性和穿戴性等特点,在人体运动状态检测、健康监测和可穿戴智能手套等领域得到广泛应用1-3。FRSS 的核心是由导电复合材料制成的应变敏感层。所谓的导电复合材料指的是将导电材料借助物理或者化学的方法与柔性基体材料组合后制备的4。电子元件与材料目前,常用的导电材料主要有碳系材料(包括:炭黑(CB)、碳纳米管(CNTs)、石墨烯、金属材料(如粉末、纳米线、薄膜)、导电聚合物(聚吡咯)等5-9。而碳系材料因其导电性好、成本低、设计灵活性高和性能稳定被广泛用于敏感层的导电材料。为了提高传感器的综合性能,众多学者不局限于采用单一碳导电材料,而是采用两种及以上的碳组合来构建高效导电网络。如合肥工业大学黄英团队10制造的应变传感器以单壁碳纳米管(SWCNT)和炭黑(CB)构成协同导电网络,能够有效地监测大应变和高频下的人体关节运动状态。多伦多大学 Taromsari 等11采用由 MXene、石墨烯纳米片(GNSs)和纤维素纳米晶体(CNCs)组成的三组分材料体系来解决多模态和灵敏度缺陷的问题,使得传感器在较低的应变范围下具有更高的电导率和灵敏度。以上工作提出的构建高效导电网络的方法满足了传感器性能提升的需求。而柔性基体决定了传感器的应变范围,在发挥构建的微观高效导电网络的作用前提下,对敏感层的宏观结构的合理设计也是进一步提高传感器性能的有效途径12。因此,本文提出了一种基于三维导电网络多孔敏感层的柔性电阻式应变传感器。以 CB 和 GNP 为导电填料,构建高效的协同导电网络。采用非溶剂致相分离法(NIPS),以去离子水作为非溶剂以诱导基体材料TPU 的分离,在敏感层内部产生多孔微结构,增加导电网络变化的随机性。协同导电网络和多孔微结构的有效结合来提高传感器的敏感性能。提出的柔性电阻式应变传感器制备工艺简单、穿戴性能优异,可应用于智慧医疗检测和人机交互等领域。1 传感器的设计1.1 结构设计本文设计的FRSS 三维结构如图1所示,主要由PDMS封装层和应变敏感层组成。应变敏感层由感知材料(CB、GNP)和基体材料(TPU)组成。上下 PDMS 层实现对中间应变敏感层的封装保护,增加应变敏感层的回弹性。图 1 柔性应变传感器的结构示意图Fig.1 Structure diagram of flexible strain sensor1.2 导电机理分析应变敏感层的导电网络示意图如图 2 所示。根据渗透理论13,当 CB 和 GNP 两种导电填料在 TPU 基体中的含量达到渗流阈值时,导电填料颗粒间距减小,会形成“点-点(CB-CB)”、“点-面(CB-GNP)”和“面-面(GNP-GNP)”结构的三维协同导电网络。根据隧道导电理论14,当柔性应变传感器受到外力拉伸时,应变敏感层中相邻 CB 颗粒的间距增加,导致“点-点”结构构成的导电通路受到破坏,总体有效导电通路受到阻碍。由于 GNP 的比表面积比较大,能够起到“桥梁”的作用,继续保持或重构“点-面”和“面-面”结构的导电网络。当拉伸外力进一步增加时,由“点-面”和“面-面”结构构成的导电通路随之受到更多的破坏,总体有效导电通路受到更大阻碍,应变敏感层的电导率下降。同时,多孔状微结构在外部力的作用下发生变形,增加了导电网络变化的随机性,极大地提高了传感器的敏感性能。图 2 导电网络示意图Fig.2 Schematic diagram of conductive network2 传感器的制备2.1 材料的选择GNP 购 自 南 京 先 丰 纳 米 材 料 科 技,型 号 为XF021,其直径为 510 m,厚度为 310 nm,比表面积为 31.657 m2/g。CB 购自美国卡博特公司,型号为 BP2000。TPU 购 自 德 国 巴 斯 夫 公 司,型 号 为1185A。PDMS 购自美国道康宁,型号为 Sylgard 184。二甲基甲酰胺(DMF)购自成都科隆化学品有限公司。2.2 材料的预处理FRSS 制备之前,将分别装有 CB 和 GNP 的玻璃容器放入恒温箱中,在 100 下持续加热 1 h 干燥备用,以防止导电材料因受潮影响到所制备的传感器电学性能。然后,称取 5 g TPU 溶于 25 mL 二甲基甲酰胺(DMF)溶剂,获取 TPU-DMF 溶液。将干燥后的CB、GNP 与 TPU-DMF 溶液按照质量比 0.03 0.03 1进行混合搅拌。在混合溶液中加入多颗直径为 3 mm225张鹏,等:基于三维导电网络多孔敏感层的柔性电阻式应变传感器的小钢珠手动搅拌 20 min 后,得到 CB/GNP/TPU 导电复合材料溶液。最后,将该溶液放入真空箱中抽真空直至气泡完全脱除。另外配置 15 g 的 PDMS 预制液(原液和固化剂的质量比为 10 1),手动搅拌 5 min后脱气泡备用。2.3 敏感层的制作将制备好的导电复合材料溶液倒至玻璃片表面,旋涂仪吸附玻璃片旋转制备厚度均匀的应变敏感层薄片(其中,转速设为 300 r/min,时间为 45 s)。旋涂结束后将玻璃片放入去离子水中 48 min。在非溶剂致相分离法的作用下,应变敏感层内部形成多孔微结构。最后,对其加热固化干燥(70,2 h)。2.4 传感器的封装首先,将 PDMS 预制液旋涂至应变敏感层的一面,然后加温固化 PDMS 预制液(2 h,70),固化后形成如图 3(a)所示的结构,完成上层 PDMS 保护层的封装。而后,将应变敏感层和 PDMS 组成的双层薄片裁剪成所需形状,利用导电银浆将铜线电极固定在应变敏感层另一面两端,加热固化导电银浆后(70,1 h),形成如图 3(b)所示的结构。最后,旋涂下层PDMS 保护层,加温固化后形成如图 3(c)所示的封装结构。制备的 FRSS 实物图如图 4 所示。图 3 传感器封装过程示意图Fig.3 Schematic diagram of sensor packaging process图 4 柔性电阻式应变传感器实物图Fig.4 The actual image of flexible resistance strain sensor3 传感器的测试与分析3.1 传感器的表征使用扫描电子显微镜(赛默飞世尔科技有限公司Apreo 型)观察传感器的微观形貌结构,如图 5 所示。从图中能清晰看出敏感层内部呈多孔蓬松结构且厚度较为均匀,成膜效果好。同时,基于 CB 和 GNP 自身结构的维度特性,在敏感层内部会形