陕西科技大学：研究电纺聚氨酯基压阻传感器—构筑互锁和梯度褶皱，实现灵敏和宽阈监测

陕西科技大学马建中教授、鲍艳教授、张文博副教授团队在Advanced FiberMaterials上发表了题为“Synergy of ZnONanowire Arrays and Electrospun Membrane Gradient Wrinkles in PiezoresistiveMaterials for Wide Sensing Range and High Sensitivity Flexible Pressure Sensor”的研究成果，报道了一种基于互锁与高度梯度褶皱微结构的电纺聚氨酯纤维压阻传感器（图1）。传感器具有高的灵敏度、宽的传感范围以及极高的压力分辨率，同时表现出快速响应、低的检测限和优异的耐久性。研究者们将传感器安装在人体的不同部位，成功实现了人体全范围的运动监测、高压下分辨物体的加载和卸载以及区分物体的重量，充分体现了传感器在穿戴式传感领域中的应用价值。

图1 基于互锁与高度梯度褶皱微结构的电纺聚氨酯纤维压阻传感器示意图

本工作提出的电纺聚氨酯基压阻传感器由具有MXene嵌入ZnO纳米线阵列的高度梯度褶皱聚氨酯电纺膜（ZAGW）组成（图2a），ZAGW的制备过程如下：首先，通过电纺技术制备聚氨酯电纺膜；其次，将聚氨酯电纺膜依次在MXene水溶液中浸涂、ZnO种子液中浸涂、ZnO生长液中水热以及MXene水溶液中超声，以在聚氨酯纤维表面生长ZnO纳米线阵列并在阵列的间隙中插入MXene（图2c）；最后，将经表面处理的聚氨酯电纺膜转移到经特殊预拉伸的VHB基体上，释放预应变以构筑高度梯度褶皱结构（图2b,d）。

图2ZAGW制备流程示意图、表面的光学显微镜、SEM照片及三维重建图像

ZAGW传感器的灵敏度分为四个区间（图3a）。在0-0.2 kPa的微小压力区间，ZAGW传感器的灵敏度为236.5 kPa-1。当施加的压力增大时，ZAGW传感器在0.2-35、35-120和120-260 kPa区间的灵敏度分别为35.8、6.1和1.2 kPa-1。图3b为ZAGW传感器在不同循环压力下的相对电流变化，展现了其对各种压力的区分能力以及稳定的传感响应。图3c表明了ZAGW传感器的传感响应不受频率的影响。图3d展现了ZAGW传感器100/60 ms的快速响应/恢复时间。图3e展现了ZAGW传感器低至2.3 Pa的检测限。此外，通过10000次循环压力实验，证明了ZAGW传感器具有优异的耐久性（图3f）。

图3ZAGW压阻传感器的性能表征

图4展示了ZAGW传感器在不同压力下感知微小压力的能力，具有0.04%的高压分辨率。

图4ZAGW压阻传感器的极高压力分辨率

在初始状态下（图5b），上层和下层ZAGW之间的轻微接触会导致较高的接触电阻。当施加微小压力时（图5c），大量的MXene嵌入氧化锌纳米线阵列会形成互锁，导致接触面积急剧变化，从而实现高灵敏度。随着压力的持续增加（图5d-f），具有梯度高度的皱褶结构可以通过从最高层到最低层接触皱褶的逐级激活来延缓接触面积的饱和，从而实现宽的传感范围。这也通过下层ZAGW接触界面在不同压力下的形态变化所证实（图5g-j）。

图5 ZAGW压阻传感器的工作机理

图6a-f展现了ZAGW传感器可以实现全范围的人体运动活动监测。图6g表明了ZAGW传感器具有在高压下分辨物体加载和卸载的能力。图6h表明了ZAGW传感器具有区分物体重量的能力。

图6ZAGW压阻传感器的应用

综上所述，本工作提出了一种基于互锁与高度梯度褶皱微结构的电纺聚氨酯纤维压阻传感器，具有高的灵敏度、宽的传感范围以及极高的压力分辨率，同时表现出快速响应、低的检测限和优异的耐久性。此外，在本工作中，通过将传感器安装在人体的不同部位，成功实现了人体全范围的运动监测、高压下分辨物体的加载和卸载以及区分物体的重量，凸显了在穿戴式传感领域中的应用价值。