復旦大學武利民課題組在高靈敏壓力傳感材料研究方面取得重要進展

2020-11-28 復旦大學

超高靈敏度壓力傳感在醫學檢測、電子皮膚、機器人皮膚、交互式輸入/控制設備、數據收集等領域具有重要應用。但迄今為止的壓阻式高靈敏壓力傳感器主要採用滲流效應或接觸電阻模型作為轉導機制，而基於這兩種機制的壓力傳感器存在著靈敏度不夠高或難以製備以及難以推廣應用等問題。

為此，復旦大學材料科學系武利民團隊將一種空心帶刺納米結構碳球（UHCS，圖1a,b）與聚甲基矽氧烷彈性體（PDMS）進行複合，結合理論計算，發現該材料體系在極低濃度導電載體（≤1.5 wt%的碳球）下，受微小外力作用，即通過F-N隧穿效應，產生大的電流密度，從而實現了對外界壓力的高靈敏度響應。相關成果於7月15日，以Quantum effect-based pressure sensor achieving ultrahigh sensitivity and sensing density為題在線發表在《自然通訊》（Nature communications）上 (Nature Communications, 2020, 11, 3529, https://www.nature.com/articles/s41467-020-17298-y)。

武利民教授團隊所發展出的超高靈敏度傳感薄膜材料，厚度僅為20mm，最高靈敏度達260.3 kPa-1，擁有著1至10000Pa壓強範圍的傳感能力，且薄膜無色透明，可通過旋塗方法大面積應用於各種形狀的表面（圖1c）。最小檢測面積可小至31.7 mm2，約為頭髮絲橫截面積的1/200，因此在高密度、大面積陣列傳感方面有著重要應用前景。該傳感薄膜之所以擁有如此優異的性能，與其新穎的轉導機制密不可分。他們通過考察量子尺度下諸多類型的材料體系電學特徵並結合課題組的功能微球設計、合成技術，利用統計學放大方法，成功地將只發生在低納米尺度的F-N隧穿效應擴展至微米尺度，通過信號採集，實現了整個體系的高性能力學傳感。得益於這種新的轉導機制和空心微球的應用，該體系壓力傳感材料在實現高靈敏度傳感和透明性的同時還實現了高的溫度穩定性、高密度陣列、強的抗串擾能力等（圖1d,e）。

武利民課題組的博士生石瀾，材料科學系青年研究員李卓為該論文的共同第一作者，武利民教授為該論文的通訊作者，材料科學系陳敏教授、信息科學與工程學院秦亞傑副教授及博士生江逸舟等多次參與討論。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和復旦大學聚合物分子工程國家重點實驗室等的共同資助。該研究已申請中國和國際PCT專利各一項。

圖1. a. 傳感材料中所應用的功能微球掃描透射顯微圖像；b. 功能微球的透射電子顯微圖像；c. 紅線圈中部分所示為製備的透明傳感薄膜材料；d. 設置於人指尖的單點微型壓力傳感器，可輕鬆識別一片脫脂棉掉落指尖的動態壓力過程；e. 高密度陣列演示中同時檢測具有不同重量的兩個微小物體（分子篩和小磁子）。

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