合理设计用于超灵敏压力传感器的纤维素水凝胶

研究背景

一般来说，压力传感器可根据其传感机制分为四类:压电式传感器、压阻式传感器、压电电容式传感器、摩擦静电式传感器。压电电容式传感机制因其高精度、高稳定性和设备组装方便等优势，被广泛研究和用于实现高性能传感。然而，由于固有的金属特性，大多数基于金属的传统传感器灵敏度低、分辨率低、传感范围有限(应变通常为<5%)，无法满足可穿戴传感器的要求。此外，还有人试图利用纳米材料(作为传感元件，结合软弹性聚合物作为柔性、可拉伸和耐用的支撑材料，开发柔性可穿戴传感器。此外，在介电层中加入各种微结构也可提高传感性能。

在离子导体中，离子导电水凝胶通常是吸收了一定水分的粘弹性柔性聚合物网络。它们可以提供有效的离子传输通道，在柔性电子器件中的应用比传统导体更具竞争优势。目前已开发出许多创新的水凝胶传感器，它们具有卓越的可穿戴人体运动检测能力、高灵敏度和更长的耐用性。另一方面，由于不可降解性，电子产品产生的电子垃圾不断增加，这仍然是一个巨大的挑战，会严重危害环境和人类健康。因此，迫切需要一种新的离子材料，这种材料灵敏度高、对生态负责，而且能够以低成本大量生产。

研究成果

人机交互、电子皮肤和健康追踪等领域都需要高灵敏度的柔性压力传感器。在这项工作中，武汉大学胡杨 & 吕昂教授团队报告了从纳米和微米角度合理设计的纤维素离子导电水凝胶(ICH)，这种水凝胶可用于超灵敏压力传感器，采用零废料方法，不涉及软性成分。通过引入低分子量纤维素和使用粗糙表面的理念，ICH 的压电容灵敏度以 2245 为增量从 0.04 kPa-1 提高到 89.81 kPa-1，同时还具有高透明度、出色的耐用性和良好的电气传输性能。此外，还显示出作为传感器和阵列的巨大潜力，可用于医疗和运动识别等多个行业。该设计还适用于压阻触觉传感器，可提高灵敏度。这种经济、有效、环保的技术无疑为增强柔性压力传感器的功能提供了新的视角和潜力。相关研究以“Rationally designed cellulose hydrogel for an ultrasensitive pressure sensor”为题发表在Materials Horizons期刊上。

图文导读

Fig. 1 Design and regulation of cellulose hydrogel for boosting sensitivity at the micron and nano levels.

Fig. 2 (a) Schematic illustration of the increased cellulose chain ends by the introduction of low molecular weight cellulose. (b) Schematic illustration of the mesh size d in cellulose hydrogel enlarged by involving cellulose with low molecular weight. (c) Compressive stress–strain curve of ICHs. (d) DC/C0 and sensitivity (S) variations of ICHs with pressure. (e) Transmittance of ICHs. (f) Conductivity of ICHs. (g) Compressive stress–strain curves of C2/4R0 ICH within 50% strain during loading–unloading cycles. (h) Capacitance response of repeated compression tests of C2/4R0 at different strains (20%, 40%, 60%, and 80%).

Fig. 3 (a) Comparison of smooth (C6/0R0) and rough sample (C6/0R100). (b) Mechanistic diagram of a rough sample under pressure. (c) Compressive stress–strain curves of rough samples with different roughness. (d) DC/C0 and sensitivity variations of C6/0R100, C6/0R500, and C6/0R1000 with pressure. (e) Sensitivity of C2/4R100 and C6/0R0. (f) Capacitance response of C2/4R100 with applied compress strain between 0 and 20% for 500 cycles.

Fig. 4 (a1) Diagram of a scene where a patient is receiving an infusion and (a2) schematic diagram of the ICH sensor composition structure. (b) The corresponding pulse signals. (c) The corresponding signals of one pulse with percussive wave (P-wave), tidal wave (T-wave), and diastolic wave (D-wave). (d) The corresponding signals of heartbeats. (e) The corresponding signals of breathing in relaxation. (f) The corresponding signals of breathing after exercise. (g) The corresponding signals generated by the drip pot’s little vibration when liquid drips into it.

Fig. 5 (a) DR/R0 and sensitivity variations of C6/0R0, C2/4R0, and C2/4R100 with pressure. (b) Schematic of the 3*3 sensor array for ICHs. (c) Identical loads applied to C6/0R0, C2/4R0, C2/4R100, and their corresponding signal plots. (d) Large load size applied to the array and corresponding signal plots. (e) Different fingers applied to the array and corresponding signal map.

总结与展望

本研究从纳米和微米两个角度，巧妙地构建了纤维素水凝胶的结构，并将其用于超灵敏压力传感器。在采用粗糙表面概念的同时，通过添加低分子量纤维素，ICH 的灵敏度从 0.04 kPa-1提高到89.81 kPa-1，提高了 2245 倍。低分子量纤维素的引入使水凝胶具有较低的模量粗糙度的增加显著增加了压力下的接触面积，从而提高了灵敏度。水凝胶还具有高透明度出色的耐久性和高导电性 (3.17 Sm-1)。之后可转化为传感器和阵列，应用于医疗和运动识别等多个行业。该设计还适用于压阻触觉传感器，从而提高灵敏度，精确测量施加压力的大小和位置，并检测人体运动。这种直接、有效和环保的技术无疑为增强柔性传感器的功能提供了新的视角和潜力。

文献链接

Rationally designed cellulose hydrogel for an ultrasensitive pressure sensor

https://doi.org/10.1039/d3mh01051a

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