那些超高灵敏度的柔性压力传感器

我做柔性压力传感器方面的研究,经常有朋友告知我说AAA又发了一篇BBB的文章,用了一种CCC新材料,灵敏度高达DDD。

也不知道为什么,灵敏度似乎是一个谁都喜欢谈的概念。在压阻传感器中,给定一个恒定电压,不同压力下传感器会因为电阻变化而输出不同的电流。灵敏度是指sensor在给定一个压力值的时候,输出的电流变化量,单位是KPa^-1。若一个传感器的灵敏度是1KPa^-1,也即是说每1KPa压力值可以引起sensor输出的电流翻倍。以下是灵敏度的定义公式:

I0为零压力负载下的初始电流值,I为压力P下的电流值。由于初始压力为零,分母的Delta P就等于P。在X轴为施加压力,Y轴为输出电流的曲线上(也称为sensor的转移曲线),斜率就是delta I/delta P。所以sensor的灵敏度就相当于转移曲线的斜率除以初始电流值。斜率不会因为初始电流值这一个点而改变,因为它反映的是转移曲线的整体趋势。而灵敏度却会因为初始电流值的波动而产生极大的变化。初始电流值取决于做sensor时压阻材料跟导电电极的接触情况,接触的好,I0就大,sensor的灵敏度就低;接触不好,I0就小,sensor灵敏度就高。这个I0受材料本身的导电性和表面粗糙度影响。若是想拿到一个超高灵敏度,做sensor的时候让材料贴合电极的预压力轻点就OK了。

这样操纵出来的灵敏度很容易会被识破。比如它的灵敏区间十分狭窄,因为初始接触可操纵的力的范围十分有限,肯定在1KPa以内。另外,若是一个sensor给出的转移曲线有跳变情况,除了材料本身的问题,也有可能是人为操纵的原因。为了避免被骗,看看那条转移曲线的数值点是否连续,看看它的线性区间是否够宽就好了。我之前发表的AFM paper,在35KPa的线性区间以内,采点连续,sensor的灵敏度也就0.6KPa^-1。

这几天我在整理文献,要提取paper中关于灵敏度跟线性区间的关系。从哲学角度就已经很清楚,灵敏度跟线性区间的大小是竞争关系,一个sensor越是灵敏,那它的线性区间就越窄,基本上我们可以期待sensor的转移曲线应该是一条趋于饱和的曲线。我只是要把已经发表的paper的这些数据提取出来,跟我现在sensor对比。看到了不少超高灵敏度的sensor,让我不禁汗颜。列几个出来,这些sensor不仅灵敏度高,线性区间还宽,真是厉害。


H Zhang et al, Piezoresistive Sensor with High Elasticity Based on 3D Hybrid Network of Sponge@CNTs@Ag NPs, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 22374−22381.

这是华科一位老师做的压力传感器,在11KPa线性区间内,sensor灵明度高达2.12KPa^-1。更可怕的是,在11-61.81KPa的线线性区间内,灵敏度高达9.08KPa^-1。灵敏度是我之前AFM sensor的15倍,线性区间是我的两倍宽。


H Tian et al, A Graphene-Based Resistive Pressure Sensor with Record-High Sensitivity in a Wide Pressure Range, Scientific Reports 5, 8603 (2015).

这是清华一位老师的paper,在0-50KPa的线性区间内,sensor灵敏度达到0.96KPa^-1。同时考虑灵敏度和线性区间,该论文比较了其它sensor,声称自己的效果最好。


J Luo et al, Ultrasensitive self-powered pressure sensing system, Extreme Mechanics Letters 2(2015), 28–36.

这是王中林发的一篇paper,压力传感器灵敏度高达204.4KPa^-1。


附上我发的AFM sensor转移曲线作为对比:

NQ Luo et al, Flexible Piezoresistive Sensor Patch Enabling Ultralow Power Cuffless Blood Pressure Measurement, Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 1178–1187.


上面所列的paper,肯定有它们的过人之处,不然也发不出来。我只盯着sensor的转移曲线看,是我被sensor一叶障目,不见材料的泰山了。

2017/1/25, Wed

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