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《ACS Nano》:仿人体皮肤上表皮组织结构的压力传感器


华烯新闻

近日《ACS Nano》发表了一篇仿人体皮肤上表皮组织结构的压力传感器文章。作者通过利用砂纸作为模板构造特殊的表面微结构,并且复合上还原氧化石墨烯制备了压力传感器。


该石墨烯传感器拥有拥有随机分布棘结构(RDS),灵敏度为25.1kPa-1,线性范围为0-2.6kPa。



最近,可穿戴式压力传感器因为其在监测人类生理信号的应用和医疗保健方面的潜力吸引了人们大量的关注。随着材料科学的发展,先进拥有不同形态或微结构的材料有被广泛用于制造应变传感器和压力传感器。


这次介绍的压力传感器在检测人类的生理信号,如心跳,呼吸,发声以及人的动作如俯卧撑,手臂弯曲和行走等方面显示出有应用的潜力。


对于人的皮肤来说,表皮和真皮之间存在着棘状结构(图1a,b)。该结构可以产生高和局部的应力集中,使得压力受体能够灵敏感知外界压力。而这种棘状结构和砂纸表面非常类似(图1c)。传感器制备过程如下(图1c):将PDMS涂覆到砂纸表面以得到有微结构图案的弹性基底(图1e)。通过浸涂的方法覆盖上一层氧化石墨烯(图1f)。通过热还原氧化石墨烯可以得到还原的氧化石墨烯(图1g)。最后将两片不同粗糙度的PDMS面对面对贴,就得到了压力传感器。通过调节砂纸的牌号可以得到不同粗糙表面的棘状结构。


图 1(a,b)人体皮肤及其棘状结构(c)砂纸的三维形态显示出相似皮肤的结构(d)石墨烯压力传感器的制造过程(e-f)在利用150号砂纸制备的PDMS层(E)上涂上GO涂层(F)和高温还原(G)


该传感器显示了很好的线性和灵敏度。


图2a显示了不同粗糙度的传感器电阻随应力变化图。结果显示两个明显的线性段。低压力范围的电阻急剧下降和高压力范围内电阻缓慢下降。通过调整砂纸牌号选用,可以得到不同灵敏度和线性范围的传感器。通常的压力传感器灵敏度和线性范围分布在L区域的形状上,而该传感器在灵敏度和线性范围综合考虑下有很好结果(图2b)。


模拟结果表明(图2c),这种随机分布棘状(RDS)结构拥有比金字塔状,纳米线型,半球状结构更高灵敏度和更大的线性范围。


图2(a)使用不同的粗糙度砂纸制备的的压力传感器相对电阻变化相对于应力响应(b)RDS石墨压力传感器和先前道的表面图案微结构灵敏度和线性压力范围关系(c)不同表面微结构的电阻变化与应用压力的模拟结果。


一方面,由于低压力时,上下两片石墨烯接触面积的快速增加,具有尖锐微结构导致应力集中,从而使得的该压力传感器显示出比扁平结构传感器高得多的灵敏度。


另一方面,经表面处理的微结构可以产生大的屈服强度从而导致在应变测量时宽的线性范围。因此,在RDS微结构中可以获得大变形和增加的压力范围。在压力增加过程中,那些规则结构的接触点均匀分布,电阻变化主要是由于接触面积的增大,在小变形和荷载作用下容易达到饱和。而随机分布结构的其初始接触点首先在一定压力下达到饱和,但新接触点引起接触面积急剧增加可以补偿整个电阻变化。因此,相对电阻变化在更大压力范围内仍呈现线性。


由于高灵敏度和高,该压线性范围,压力传感器拥有了探测人体生理信号、声音和运动的方面潜力图3


图3:传感器的应用