柔性壓力傳感器是柔性電子技術的重要組成部分，能夠為可穿戴設備提供生理監測，也能為軟機器人提供觸覺感知。柔性壓力傳感器不僅要求滿足可穿戴設備的日常應用需求，在某些情況下甚至需要應用在極為苛刻的工作環境中，例如高溫。但構造具有這樣功能的柔性傳感器件卻非常具有挑戰性。一般聚合物無法耐受300 ℃以上的高溫;此外，在較高溫度下，聚合物的粘彈性變化會導致器件在長時間工作條件下的性能衰減。陶瓷材料具有耐高溫耐腐蝕等優異的理化特性，但是陶瓷材料自身的脆性限制了其在柔性電子器件的應用。
為了解決上述問題，最近，南方科技大學材料系郭傳飛團隊和物理系趙悅團隊合作在知名期刊《Advanced Science》上發表了題為「A Highly Sensitive, Reliable,and High-Temperature-Resistant Flexible Pressure Sensor Based on CeramicNanofibers」的通訊論文，報導了一種基於陶瓷納米纖維的柔性壓力傳感器，展現出優異的傳感性能、耐用性、透氣性和耐高溫性能。
圖文介紹
研究人員利用靜電紡絲法製備得到一種具有良好力學柔性的TiO 2 納米纖維薄膜材料，纖維的平均直徑為120 nm。研究人員對該TiO2納米纖維薄膜以及具有相同厚度的PVDF和PVA納米纖維薄膜進行了應變為10%的循環壓縮測試。在100次循環後，TiO2薄膜的殘餘塑性形變量為2.2%，而PVDF和PVA的殘餘應變則分別為7.0%和8.4%。經過100次壓縮循環後，TiO2納米纖維薄膜保持了初始最大應力的85%以上，相比之下，PVDF和PVA薄膜僅為48%和20%。
圖1. a)靜電紡絲製備TiO 2 納米纖維薄膜流程圖。超薄TiO 2 納米纖維薄膜的b)光學照片，c)SEM圖，d)TEM圖。
鑑於TiO2納米纖維薄膜優異的力學性能，研究人員測試了基於不同厚度的TiO2納米纖維薄膜的柔性壓力傳感器的靈敏度、檢測極限、響應/弛豫時間和循環穩定性，並與相同厚度的聚合物納米纖維薄膜傳感器進行對比。測試結果表明，TiO2傳感器具有高達4.4 kPa-1的靈敏度、16 ms的響應時間、0.8 Pa的檢測限和大於五萬次的壓縮循環穩定性。
圖2. a)柔性壓力傳感器的壓縮示意圖。b)基於厚度均為25 μm的TiO 2 ，PVA和PVDF納米纖維網絡傳感器的靈敏度。c)TiO 2 傳感器在1 kPa壓力下的循環穩定性(50 000次循環)。
高孔隙率的陶瓷納米纖維薄膜作為介電層具有良好的透氣性能。研究人員利用噴塗銀納米線的織物作為柔性電極，製備得到一種透氣可穿戴的柔性壓力傳感器，其水蒸汽透過率達到835 mL m 2 h -1 ，能夠很好地滿足人體皮膚對於透氣的要求。同時，該傳感器可以很好地反映人體的健康狀態和運動情況，將其貼合在人體的不同部位(手腕、眼瞼、頸部、胸前、食指關節、聲帶)可以得到不同的生理數據，包括受試者運動前後的橈動脈脈搏、呼吸脈搏、頸動脈脈搏;同時可以實現人體運動監測，如眨眼、手指彎曲，以及發聲引起的聲帶微弱振動等。
圖3. a)透氣可穿戴傳感器的原理圖。b)透氣傳感器的水蒸發實驗。c)單詞「So」，「Save」和「Good」的發音識別。d)運動前後的橈動脈脈搏。
此外，這種陶瓷納米纖維薄膜具有優異的耐高溫特性。以該陶瓷納米纖維薄膜作為介電層，研究人員製備得到了一種能夠耐受約1300 ℃瞬時高溫並測試了其在370 ℃下的響應。在370 ℃高溫下和1300 ℃灼燒後其最大靈敏度分別為0.028 kPa-1和0.006 kPa-1，並在循環測試表現出性能的一致性和穩定性。
圖4. a)耐高溫壓力傳感器的結構示意圖。b)耐高溫傳感器在1300℃下灼燒。c)耐高溫柔性壓力傳感器在30 ℃、370 ℃和丁烷火焰中燃燒後測試的靈敏度。d)耐高溫傳感器在370 ℃的多循環壓縮測試。
小結
綜上，研究人員製備得到一種輕質、透氣的陶瓷納米纖維薄膜材料，這種材料具有優異的循環壓縮力學性能。利用該陶瓷納米纖維作為介電層製備的柔性電容型傳感器，具有較高的靈敏度(4.4 kPa1)，較低的檢測極限(0.8 Pa)，快速的響應速度(16 ms)，以及優異的循環穩定性(5萬次循環測試)。同時，以陶瓷納米纖維薄膜作為介電層製備得到的高透氣性壓力傳感器作為可穿戴設備，可以用於人體生理監測和運動檢測。此外，結合高溫電極，該傳感器能夠實現在370 ℃的高溫條件下長時間工作，使柔性傳感器在極端高溫環境下的應用成為可能。
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