合肥研究院在柔性應(yīng)變傳感器研究方面取得進(jìn)展

　　近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員費(fèi)廣濤課題組在柔性應(yīng)變傳感器的制備及力敏特性研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以Flexible strain sensor with high performance based on PANI/PDMS films 為題發(fā)表在Organic Electronics（47 (2017) 51-56）雜志上。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、智能機(jī)器人、柔性顯示、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這些領(lǐng)域往往需要傳感器具有可彎曲、可拉伸的特點(diǎn)，能夠滿足貼附在各種不規(guī)則的表面上的需求。此外，一個(gè)好的應(yīng)變傳感器還應(yīng)具有高靈敏度(GF)、低電阻值的特性。GF太低意味著傳感器探測(cè)應(yīng)變時(shí)由于變化量小容易出現(xiàn)信號(hào)誤差，電阻值過(guò)大意味著需要配備高精密且昂貴的測(cè)試儀器。

　　目前研究的柔性應(yīng)變傳感器敏感材料通常有兩類：一類是以銀、碳管、石墨烯等導(dǎo)電材料為應(yīng)變敏感材料的傳感器，該類傳感器具備低的電阻值，同時(shí)GF也很低；另一類是以半導(dǎo)體材料為應(yīng)變敏感材料的傳感器，該類傳感器具備高的GF，但是電阻也很高。這兩類傳感器在商業(yè)應(yīng)用中都受到了一定的限制。因此，設(shè)計(jì)一種電阻低、GF高的柔性傳感器迫在眉睫。

　　聚苯胺(PANI)是一種導(dǎo)電高分子材料，經(jīng)質(zhì)子酸摻雜后的電導(dǎo)率處于金屬與半導(dǎo)體之間，并且可以隨著酸摻雜濃度而改變，因此將聚苯胺與彈性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)結(jié)合有望達(dá)到電阻低、GF高的要求?；诖耍n題組博士宮欣欣和副研究員方明等采用PANI為導(dǎo)電層，PDMS為彈性層制備了PANI/PDMS復(fù)合薄膜柔性應(yīng)變傳感器，并對(duì)該傳感器的性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PANI/PDMS復(fù)合薄膜傳感器具備一定的柔性(圖1)，可以拉伸至50%的應(yīng)變量，GF值最高可以達(dá)到54，遠(yuǎn)高于其它材料構(gòu)筑的柔性應(yīng)變傳感器，同時(shí)具備優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性(圖2)，在監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)中具備潛在的應(yīng)用前景(圖3)。

　　以上工作得到國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃課題和多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

圖1 聚苯胺的數(shù)碼相機(jī)照片。

　　圖2 PANI/PDMS薄膜傳感器的應(yīng)變特性測(cè)試。不同應(yīng)變條件下(a)電阻的相對(duì)變化量；(b)靈敏度GF的計(jì)算值；(c)傳感器的電流響應(yīng)曲線。

圖3 傳感器監(jiān)測(cè)手指活動(dòng)的電流響應(yīng)曲線。插圖分別為手指彎曲I、II、III、IV四個(gè)狀態(tài)的照片。