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【寧波材料所：在蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)的高性能壓阻式氣流傳感器中取得進(jìn)展】
壓阻式氣流傳感器因其制備簡單、信號易獲取和高靈敏響應(yīng)性，引起了人們極大的研究興趣并廣泛應(yīng)用于航空航天、氣候預(yù)報、生物醫(yī)學(xué)工程、礦產(chǎn)勘測和可穿戴監(jiān)測等領(lǐng)域。目前，科研人員在提高壓阻式氣流傳感性能方面付出了巨大的努力，通過設(shè)計各種各樣的微觀或宏觀結(jié)構(gòu)以降低檢測下限和/或擴(kuò)大氣流傳感器的傳感范圍。然而，在超低檢測限和超寬傳感性能之間存在顯著的權(quán)衡，這是由于在氣流加載期間，活性材料之間的電接觸易于飽和所致。因此，迫切需要開發(fā)一種高效的替代策略來平衡這兩種性能，從而促進(jìn)高性能壓阻式氣流傳感器的開發(fā)。
近期，寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員和肖鵬副研究員基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感器方面的研究基礎(chǔ)，受自然蜘蛛網(wǎng)徑線感應(yīng)氣流能力的啟發(fā)，通過碳基雜化材料和自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了同時具有超低氣流檢測下限和超寬感應(yīng)范圍的氣流傳感器。
在該工作中，作者采用界面自組裝和原位復(fù)合策略，構(gòu)筑了基于石墨烯/碳球雜化感應(yīng)層的彈性非對稱薄膜，并將其設(shè)計成自支撐構(gòu)型，以實(shí)現(xiàn)高性能氣流傳感器的構(gòu)建。其中，自支撐結(jié)構(gòu)賦予該薄膜靈敏捕捉氣流擾動的能力，并以不同程度的形變響應(yīng)氣流刺激。值得注意的是，該自支撐薄膜在不同強(qiáng)度的氣流作用下表現(xiàn)出動態(tài)的感應(yīng)機(jī)制。
當(dāng)小氣流作用時，縱向壓縮增加了雜化體系中石墨烯片層間的電接觸并表現(xiàn)出正電流變化。隨著氣流增加，橫向拉伸效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，材料內(nèi)部導(dǎo)電通路被破壞，表現(xiàn)出負(fù)電流響應(yīng)行為。正是由于材料內(nèi)部存在動態(tài)應(yīng)變競爭機(jī)理，該傳感器能感知低至0.0087 m s-1的極其微弱氣流，同時能檢測高達(dá)23 m s-1的大氣流刺激。
不僅如此，自支撐結(jié)構(gòu)使其能夠以低至0.1 s的時間快速響應(yīng)氣流刺激，并能監(jiān)測高達(dá)1150次的循環(huán)氣流刺激，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。基于該傳感器出色的氣流響應(yīng)能力，開發(fā)了的智能蜘蛛網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對氣流刺激方向、位置和強(qiáng)弱的實(shí)時檢測和預(yù)警，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)非接觸式控制虛擬蜘蛛的運(yùn)動行為，為開發(fā)用于智能仿生系統(tǒng)和高效人機(jī)交互的高性能氣流傳感系統(tǒng)開辟了一條新途徑。
來源：傳感器專家網(wǎng)
