港科大AFM:全电阻式柔性多功能传感器,用于多刺激同时检测和解耦

 

一、文章概述

柔性多功能传感器能够检测重要物理刺激,在柔性电子领域具有广阔的应用前景。为了同时检测和解耦多种物理刺激,大家通常构建由多个传感器组成的传感器网络。其中,能够检测和解耦压力和温度刺激的多功能传感器而备受关注,因为这可以模仿人体皮肤的压力和温度传感能力。然而,在单一的柔性传感器中,其具有相同类型的输出信号(电阻、电容、摩擦电等),这对于实现压力和温度刺激的同时检测和解耦是一项艰巨的挑战。
近日,香港科技大学Jang-Kyo Kim和Xi Shen(通讯作者)老师研究团队提出了一种合理的方法,设计了一种能够检测和区分不同物理刺激的柔性多功能传感器。作者使用电纺碳纳米纤维(CNF)薄膜作为唯一的传感材料电阻作为唯一的输出信号,开发了一种柔性多功能传感器,同时实时检测和区分微小的温度和压力刺激。相关研究工作以题为“Rational Design of All Resistive Multifunctional Sensors with Stimulus Discriminability”发表在国际材料学顶尖期刊Advanced Functional Materials (IF=18.808)上,第一作者为:Jeng-Hun Lee。
在该工作中,通过定制CNF薄膜的原子级和器件级结构来协调刺激灵敏度和可辨别性,以分别提供-0.96 kPa-1和-2.44% ℃-1出色压力和温度灵敏度,并且在没有信号交叉干扰的情况下实现互斥的传感能力。据报道,这种CNF多功能传感器是同类中首个仅使用电阻作为输出信号来实现刺激识别的传感器,这对于信号监测和处理应用而言是最便捷的。因此,这种传感器在简单经济高效的制造和信号读出系统方面,比其它报道的传感器具有明显的优势。其还具有其它宝贵的特性,包括良好的弯曲稳定性快速响应时间长期耐用性。文章的最后,作者通过将其作为可皮肤安装的设备和柔性游戏控制器的新颖应用,证明了该传感器同时检测和解耦温度和压力刺激的能力。

 

二、图文导读

 

多功能CNF传感器的制造。

a)通过静电纺丝和热处理制造CNF薄膜的示意图。

b)独立式CNF薄膜的柔韧性。

c)CNFTS和PS的器件结构示意图,以及CT和N分别与温度和压力敏感性的相关性。温度和压力敏感性分别在25-50 ℃和0-0.4 kPa的范围内测量,其中多功能传感器分别对温度和压力变化表现出高线性响应。

 

CNF多功能传感器的性能。

a)CNF多功能传感器中CNF 550 TS和CNF 1000 PS的温度和b)与压力相关的ΔR/R0

c)CNF多功能传感器中CNF 550 TS和CNF 1000 PS的ΔR/R0分别针对压力和温度变化。

d,e)传感器在25-50 ℃温度范围内的ΔR/R0 500次循环(d)和压力变化至0.4 kPa 3000次加载/卸载循环(e),显示出优异的耐用性。

f)0.4kPa压力下传感器在不同加载频率下的ΔR/R0

g)通过在传感器表面施加比周围环境温度高≈1 ℃的水滴来测量传感器的热响应和恢复时间。

h)加载/卸载0.4 kPa压力时传感器的机械响应和恢复时间。

i)传感器在500和1000次弯曲循环后对温度和压力变化的ΔR/R0

 

a-c)示意图显示了CNF 1000 PS的压阻机制,分别由N=一(a)、三(b)和五(c)组成。

 

具有刺激可辨别性的CNF多功能传感器中组件传感器的互斥传感性能。

a-c)用手指(a)、塑料棒(b)和热空气(c)刺激时ΔR/R0随时间的变化。

d)弯曲传感器具有优异的灵活性。

e)当附着在人类前臂上以监测体温和小前臂肌肉运动时,ΔR/R0随时间的变化。

 

具有刺激可辨别性的CNF多功能传感器的应用,显示其作为灵活游戏控制器的潜力。

a)使用单个CNF多功能传感器播放T-rex Runner演示,仅在用人手指按下时显示“开启”。

b)使用三个CNF多功能传感器的1×3阵列播放Red Runner演示。

 

三、论文信息

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2021年10月13日 10:31
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