一種基于柔性超疏水碳納米管纖維薄膜的高性能橋式氣流傳感器開發(fā)

氣流傳感器作為傳感器家族的重要成員，在航空航天、天氣預(yù)報(bào)、采礦業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)工程、電子皮膚、可穿戴紡織品和集成智能設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。盡管目前對氣流傳感器進(jìn)行了大量的研究，但在潮濕多雨的環(huán)境下，仍然難以保持超低的檢測限、短的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間，這影響了其實(shí)際應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences）、常州大學(xué)（Changzhou University）和新加坡國立大學(xué)（National University of Singapore）的研究人員聯(lián)合開發(fā)了一種基于柔性超疏水碳納米管纖維薄膜的高性能橋式氣流傳感器，該傳感器不僅具有超低的檢測限、快速的響應(yīng)和恢復(fù)等優(yōu)異的靈敏性能，而且在實(shí)際應(yīng)用中還可以排除水分或水滴的影響。與先前報(bào)道的柔性碳基氣流傳感器相比，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間都縮短了。該傳感器不僅能靈敏地檢測環(huán)境氣流，而且在呼吸健康監(jiān)測中也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。相關(guān)研究成果以“A Robust Bridge-Type Airflow Sensor Based on Flexible Superhydrophobic Carbon Nanotube Fiber Thin Films”為題發(fā)表在Advanced Materials Interfaces期刊上。

在這項(xiàng)工作中，碳納米管纖維薄膜（CNTF）超疏水結(jié)構(gòu)的制備分為三個(gè)步驟，首先是合成超疏水復(fù)合材料；然后，構(gòu)建CNTF粗結(jié)構(gòu)；最后，制備出CNTF超疏水結(jié)構(gòu)（CNTF-PPPS）。采用浮動催化劑化學(xué)氣相沉積方法（FCCVD）合成CNTF，在CNTF表面構(gòu)建粗結(jié)構(gòu)。基于超疏水碳納米管纖維薄膜的柔性橋式氣流傳感器的主要傳感單元是CNTF-PPPS敏感元件，具有優(yōu)異的超疏水性、超薄性和優(yōu)異的柔韌性，以及從大變形中快速恢復(fù)的能力。傳感器的基底是由柔性丙烯酸透明雙面膠帶（AATDSA）構(gòu)成的橋式結(jié)構(gòu)。敏感元件通過銅箔電極與基底相連。柔性AATDSA的防水性能、耐高溫性、柔韌性、延展性和牢固的粘附性使得傳感器易于與不同表面（如衣服、皮膚和墻壁）貼合，以便在粘附后進(jìn)行氣流檢測。

柔性橋式超疏水碳納米管纖維薄膜氣流傳感器的敏感元件制備、掃描電子顯微鏡（SEM）圖像、能譜分析結(jié)果、工作原理和性能。

所制備的柔性橋式氣流傳感器具有超高靈敏度、快速響應(yīng)和恢復(fù)、多角度響應(yīng)、優(yōu)異的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性、檢測范圍廣等特點(diǎn)。該傳感器之所以能夠具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，主要是因?yàn)槠洳捎锰技{米管纖維薄膜作為基本導(dǎo)電骨架，其具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、柔韌性和變形自恢復(fù)能力。在所有的碳基材料氣流傳感器中，所開發(fā)的氣流傳感器是目前響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間最短的氣流傳感器之一。與之前報(bào)道的傳感器的檢測范圍和響應(yīng)時(shí)間比較可知，該CNTF-PPPS傳感器的檢測下限為0.1 m/s，快速響應(yīng)時(shí)間為0.2 s。這種CNTF-PPPS傳感器綜合性能優(yōu)異，可用于各種環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)中的氣流檢測。

氣流傳感特性

研究人員證明了CNTF-PPPS氣流傳感器在下雨和高濕度環(huán)境中的氣流檢測能力（無論傳感器的傾斜角度如何）。雨滴不會影響氣流傳感器的性能。目前，對超疏水氣流傳感器的研究很少。在很多應(yīng)用環(huán)境中，水總是與氣體共存，這表明CNTF-PPPS超疏水氣流傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景。

水滴對CNTF-PPSS氣流傳感器影響的研究

CNTF-PPPS氣流傳感器在氣流檢測中表現(xiàn)出高靈敏度、快速響應(yīng)和恢復(fù)的優(yōu)異性能?？紤]到呼吸過程中存在氣流變化，研究人員也探索了氣流傳感器對呼吸的傳感特性。結(jié)果證明了CNTF-PPPS氣流傳感器呼吸特性的檢測主要受氣流的影響，而溫度增加了傳感器的傳感特性。CNTF-PPPS氣流傳感器表現(xiàn)出實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、快速性和可靠性的優(yōu)點(diǎn)，這使得該傳感器能夠進(jìn)行呼吸識別。

CNTF-PPPS氣流傳感器在呼吸檢測中的傳感性能

總而言之，研究人員開發(fā)了一種柔性橋式超疏水碳納米管纖維薄膜氣流傳感器，該傳感器不僅具有超低的檢測限、快速響應(yīng)和快速恢復(fù)的靈敏性能，而且在實(shí)際應(yīng)用中排除了水分或水滴的影響。采用碳納米管薄膜作為基本導(dǎo)電骨架，在碳納米管薄膜表面引入超疏水結(jié)構(gòu)。通過與橋式柔性基底的巧妙結(jié)合，構(gòu)造出用于氣流檢測的傳感器。該傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、可靠性好、多角度檢測、檢測范圍廣、響應(yīng)速度快、和恢復(fù)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。結(jié)果表明，該傳感器能夠檢測到流速為0.1 m/s的氣流，響應(yīng)時(shí)間為0.2 s，恢復(fù)時(shí)間為0.35 s。同時(shí)，獨(dú)特的超疏水結(jié)構(gòu)賦予了該傳感器在雨水和高濕度環(huán)境中檢測氣流的能力。該傳感器除了在氣流檢測方面表現(xiàn)出色外，在呼吸檢測方面也表現(xiàn)出良好的靈敏度、即時(shí)性、快速性和檢測精度，使其成為監(jiān)測人類心肺功能和睡眠質(zhì)量以及呼吸識別的潛在候選者，從而顯示出廣泛的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清