成果简介
压力检测在电子皮肤中起着至关重要的作用，在识别人体生理信号方面具有巨大的潜力。传统的压力检测设备经常遇到检测范围有限和循环保持率低的问题。本文，长春工业大学Hao Gu等研究人员在《ACS Applied Nano Materials》期刊发表名为“rGO/CTAB/CMF Flexible Pressure Sensor Based on Honeycomb Structure for Human Posture Signal Acquisition”的论文，研究利用静电自组装技术将还原氧化石墨烯（rGO）精确沉积到基底表面，从而在还原后形成高灵敏度的压力反馈层。此外，还利用静电纺丝技术在压力反馈层和相互咬合的电极之间的界面上制造聚乙烯醇纤维，从而提高器件的灵敏度。
采用这种方法制造的传感器在广泛的压力范围内都表现出了卓越的传感能力，在0-2.7、2.7-6.91和6.91-20kPa 范围内分别达到了 195.44、165.79 和125.95 kPa-1 的超高灵敏度。它们的快速变形响应为92ms，快速变形恢复为70ms。此外，这些传感器还具有出色的耐久性，在 10,000 次加载-卸载循环后仍能保持 80% 以上的循环保持率。有限元数值模拟结果表明，采用这种方法制备的 rGO/CTAB/CMF复合材料具有优异的机械和传感性能。此外，通过与定制微处理器的集成，传感器的操作能力得到了显著增强，能够在日常情况下对肢体信号数据进行精确处理和分析。
图文导读
图1.（a） 压阻式压力传感器的制备工艺。（b） 微处理器连接图。
图2. (a,b) SEM images of CMF skeleton at different magnifications. (c,d) SEM images of rGO/CTAB/CMF at different magnifications. (e) Elemental surface analysis of O, N, Br, and C in rGO/CTAB/CMF. (f–h) SEM images of device structures at 90%, 40%, and 20% compression levels. (i–k) SEM images of spinning at controlled voltages of 12, 15, and 18 kV. (l) Raman spectra of eight random points on the surface of rGO/CTAB/CMF. (m) Raman mapping of rGO/CTAB/CMF. (n) XPS spectra of O element in rGO/CTAB/CMF and GO/CTAB/CMF.
图3. (a-c) 不同变形程度下 CMF 的数值模拟。(d-f）不同变形程度下 rGO/CTAB/CMF 的数值模拟。
图4. (a,b) 传感器装置示意图。(c) 器件灵敏度随不同旋转电压的变化。(d) 导电填料浓度与器件灵敏度的关系 (e) rGO/CTAB/CMF 的循环保持率。(f) 传感器在不同频率下的稳定性和灵敏度测试。(g) 传感器的响应时间。(h) 不同变形条件下传感器部件的性能测试。(i) 传感器在低压下的性能测试。
图5. (a) 单击鼠标和双击鼠标测试。(b) 睁眼和闭眼测试。(c) 缓慢倒水、传感器持续缓慢压力测试。(d) 颈动脉测试。(e) 咀嚼动作测试。(f) 吞咽动作测试。(g) 手指关节弯曲测试。(h) 重复 “压力 ”读数测试。(i) 重复 “CCIT ”读数均匀性测试。
图6：（a-i）准备好的阵列式传感器装置通过手势 “A”、“B”、“C”、“D”、“I”、“L”、“S”、“V”、“W ”集成到手套中。
小结
综上所述，本文报告了一种基于 rGO 封装的高灵敏度电阻式压力传感器，该传感器是通过高温碳化和静电自组装制成的。由于 rGO 具有优异的导电性和机械性能，该传感器表现出了高灵敏度和耐用性。为了进一步提高传感器的灵敏度，利用电纺丝技术引入了 PVA 中间层，以增加接触电阻。用这种方法制备的器件在很宽的压力范围内都表现出了优异的传感性能（在 0-2.7、2.7-6.91 和 6.91-20 kPa 范围内分别达到了 195.44、65.79 和 25.95 kPa-1 的超高灵敏度）。传感器对快速变形的快速反应时间为 92 毫秒，快速恢复时间为 70 毫秒。经过 10,000 次加载-卸载循环后，传感器的性能保持在初始性能的 80% 以上。该传感器与自制的微处理器集成后，可以方便地贴在皮肤表面，收集人体生理信号（如关节运动、呼吸、咀嚼和发声），并实时传输到接收端进行进一步处理。
本文自主开发了基于 STM32 微处理器的信号采集和传输系统，并成功地快速导出和分析了人体特征数据。与已有研究相比，本文的制备过程得到了进一步优化。得益于实验材料的易得性，单个传感器装置的成本可降至5元以下，为大规模应用做出了有意义的探索。展望未来，得益于该方法的低成本和高产量，大规模商用柔性压力传感器的制造成为可能。结合自主研发的数据处理器，为残疾人群体的日常交流工作提供了便利。它为可穿戴健康监测设备的数据分析和读取创造了工程应用机会。
文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.4c05152
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