3D导电碳纳米管/石墨烯-PDMS压力传感器，健康监测、可穿戴设备等

摘要：目前，开发高灵敏度压力传感器仍是一项巨大挑战。本文，沈阳航空航天大学Meng Wang、Gongdong Wang等研究人员在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“High-performance flexible pres

1成果简介

目前，开发高灵敏度压力传感器仍是一项巨大挑战。本文，沈阳航空航天大学Meng Wang、Gongdong Wang等研究人员在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“High-performance flexible pressure sensor based on synergistic enhancement of magnetic field oriented carbon Nanotube/Graphene and microdome array structure”的论文，研究采用碳纳米管（CNT）和石墨烯纳米颗粒（GNP）作为导电填料，聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为柔性基底。通过磁场定向CNT/GNP微观导电填料网络与宏观表面微圆顶结构设计相结合的策略，制备了一种高性能柔性压阻传感器。

带有定向导电网络的微圆顶阵列结构有效地提高了传感器在微压（S = 38.28 kPa-1 (0-1.5 kPa)）下的灵敏度。它还具有传感范围大（0-20 kPa）、响应速度快（100 ms）和稳定性好等特点。此外，还深入分析了 CNT/GNP 定向网络和微结构协同提高灵敏度的工作机制。为了评估传感器在恶劣环境下的稳定性，还进行了高温/低温和盐雾条件下的测试。最后，基于 CNT/GNP-PDMS 传感器进行了一系列应用测试。测试结果表明，所设计的传感器在复合材料部件的健康监测、可穿戴设备和人机交互方面具有潜在的应用价值。这项工作将为开发先进的柔性传感器铺平道路。

2图文导读

图1.制备工艺示意图：（a）定向 CNT/GNP-PDMS 微球阵列复合薄膜，（b）由微结构/平面结构组装而成的 CNT/GNP-PDMS 压力传感器。

图2.（a） CNT/GNP-PDMS （C2G1）复合薄膜的微球结构表面的 SEM 图像。（b） CNT/GNP-PDMS （C2G1）复合薄膜的横截面 SEM 图像。（c）纯 PDMS 基质的 SEM 图像。（d）未进行磁场诱导取向处理的基体中的 CNT/GNP 网络。（e） C2G1 薄膜横截面的 SEM 图像。（f） C2G1 薄膜横截面的局部放大图像。（g） CNT/GNP-PDMS复合材料的X射线衍射图谱。（h） C2G1 薄膜的表面细节和相应的 EDS）元素映射。（i） CNT/GNP-PDMS压力传感器的横截面形貌。

图3. (a) The equivalent model of in-plane and out-plane contact resistive. (b) The schematic diagram of equivalent resistance modelling between carbon nanotubes. The before and after compression schematic diagrams of the (c) non-oriented CNT/GNP conductive network, (d) the oriented CNT conductive network and (e) the oriented CNT/GNP conductive network.

图4. (a)The simulation analysis of the double-layer microdome structure during compression. (b) The in-situ SEM compression characterization of the double-layer structure of the sensor during compression. (c) The schematic diagram of the pressure sensing mechanism.

图5. (a) The electrical conductivity of C1G0, C3G1, C2G1, C1G1 and C1G1-Undirected composite films. (b) The ΔR/R0-pressure curves of pressure sensors with different CNT and GNP ratios. (c) The sensitivity for each pressure interval of pressure sensors with different CNT and GNP ratios. (d) The ΔR/R0-pressure curves of pressure sensors with different structural design parameters. (e) The schematic diagram of pressure sensing mechanism of sensors with and without microdome structures. (f) The performance comparison of the C2G1 sensor with recently reported flexible pressure sensors.

图6. (a) The I-V characteristic curves of pressure sensor at different pressures. (b) The ΔR/R0 curves of pressure sensor at different loading rates. (c) The ΔR/R0 curves of pressure sensor at different pressure. (d) Over 2000 loading and unloading cycles of the pressure sensor. (e) The response time and recovery time of the pressure sensor. (f) The effect of high and low temperature environments on pressure sensor resistance. (g) The ΔR/R0 curves before and after the high and low temperature cycling treatments. (h) The effect of salt spray environment on the wettability and piezoresistive response of pressure sensor.

图7. Real-time ΔR/R0 variation curve of the C2G1 pressure sensor during: (a) the GFRP laminate is bent, (b) repeated gripping of water cups, (c) heel lift, (d) walking, (e) the volunteer makes the different gestures, (f) placing different weights on the surface of the sensor array, (g) tap sensor array.

3小结

本研究利用二维平面结构的 GNP 与一维 CNT 相结合，制备了具有微圆顶阵列结构和定向三维导电网络的 CNT/GNP-PDMS 柔性压力传感器。一方面，适量的 GNP 可以穿插在 CNT 网络中，起到良好的桥接作用；另一方面，GNP 与 CNT 网络的结合可以有效地提高压力传感器的性能。沿压力方向垂直排列的 CNT/GNP 复合导电填料能有效促进电子的高效传输；另一方面，微圆顶阵列结构提供了更多的接触应力和应变集中，能更有效地将外部刺激转化为电信号。这种多尺度协同结构设计有效提高了 CNT/GNP-PDMS 柔性压力传感器在低压（0-1.5 kPa）下的灵敏度（S = 38.25 kPa-1）。该传感器的传感范围（0-20 kPa）、100 毫秒的快速响应时间和超过 2000 次循环的动态稳定性。

此外，传感器在暴露于高温、低温和盐雾后仍能保持其初始压阻响应性能。这表明传感器能够在恶劣环境中保持正常工作。最后，CNT/GNP-PDMS 传感器不仅能准确识别复合层压板的弯曲，还能有效监测步态周期、各种手势和重物的位置识别。这些测试表明，该传感器在复合材料部件的健康监测、可穿戴设备和人机交互方面具有广阔的应用前景。我们期望这一概念能为高性能电子设备的设计带来新思路。

文献：