基于柔性超疏水碳纳米管纤维薄膜的高性能桥式气流传感器
2023-11-04 08:59:48 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该高性能桥式气流传感器不仅具有超低的检测限、快速的响应和恢复等优异的灵敏性能，而且在实际应用中还可以排除水分或水滴的影响。与先前报道的柔性碳基气流传感器相比，响应时间和恢复时间都缩短了。
气流传感器作为传感器家族的重要成员，在航空航天、天气预报、采矿业、环境监测、生物医学工程、电子皮肤、可穿戴纺织品和集成智能设备等领域得到了广泛应用，并发挥着至关重要的作用。尽管目前对气流传感器进行了大量的研究，但在潮湿多雨的环境下，仍然难以保持超低的检测限、短的响应时间和恢复时间，这影响了其实际应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所（Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences）、常州大学（Changzhou University）和新加坡国立大学（National University of Singapore）的研究人员联合开发了一种基于柔性超疏水碳纳米管纤维薄膜的高性能桥式气流传感器，该传感器不仅具有超低的检测限、快速的响应和恢复等优异的灵敏性能，而且在实际应用中还可以排除水分或水滴的影响。与先前报道的柔性碳基气流传感器相比，响应时间和恢复时间都缩短了。该传感器不仅能灵敏地检测环境气流，而且在呼吸健康监测中也表现出优异的性能。相关研究成果以“A Robust Bridge-Type Airflow Sensor Based on Flexible Superhydrophobic Carbon Nanotube Fiber Thin Films”为题发表在Advanced Materials Interfaces期刊上。
在这项工作中，碳纳米管纤维薄膜（CNTF）超疏水结构的制备分为三个步骤，首先是合成超疏水复合材料；然后，构建CNTF粗结构；最后，制备出CNTF超疏水结构（CNTF-PPPS）。采用浮动催化剂化学气相沉积方法（FCCVD）合成CNTF，在CNTF表面构建粗结构。基于超疏水碳纳米管纤维薄膜的柔性桥式气流传感器的主要传感单元是CNTF-PPPS敏感元件，具有优异的超疏水性、超薄性和优异的柔韧性，以及从大变形中快速恢复的能力。传感器的基底是由柔性丙烯酸透明双面胶带（AATDSA）构成的桥式结构。敏感元件通过铜箔电极与基底相连。柔性AATDSA的防水性能、耐高温性、柔韧性、延展性和牢固的粘附性使得传感器易于与不同表面（如衣服、皮肤和墙壁）贴合，以便在粘附后进行气流检测。
柔性桥式超疏水碳纳米管纤维薄膜气流传感器的敏感元件制备、扫描电子显微镜（SEM）图像、能谱分析结果、工作原理和性能。
所制备的柔性桥式气流传感器具有超高灵敏度、快速响应和恢复、多角度响应、优异的稳定性和重现性、检测范围广等特点。该传感器之所以能够具有优异的稳定性和重现性，主要是因为其采用碳纳米管纤维薄膜作为基本导电骨架，其具有优异的导电性、稳定性、柔韧性和变形自恢复能力。在所有的碳基材料气流传感器中，所开发的气流传感器是目前响应和恢复时间最短的气流传感器之一。与之前报道的传感器的检测范围和响应时间比较可知，该CNTF-PPPS传感器的检测下限为0.1 m/s，快速响应时间为0.2 s。这种CNTF-PPPS传感器综合性能优异，可用于各种环境和工业生产中的气流检测。
气流传感特性
研究人员证明了CNTF-PPPS气流传感器在下雨和高湿度环境中的气流检测能力（无论传感器的倾斜角度如何）。雨滴不会影响气流传感器的性能。目前，对超疏水气流传感器的研究很少。在很多应用环境中，水总是与气体共存，这表明CNTF-PPPS超疏水气流传感器具有广阔的应用前景。
水滴对CNTF-PPSS气流传感器影响的研究
CNTF-PPPS气流传感器在气流检测中表现出高灵敏度、快速响应和恢复的优异性能。考虑到呼吸过程中存在气流变化，研究人员也探索了气流传感器对呼吸的传感特性。结果证明了CNTF-PPPS气流传感器呼吸特性的检测主要受气流的影响，而温度增加了传感器的传感特性。CNTF-PPPS气流传感器表现出实时性、稳定性、快速性和可靠性的优点，这使得该传感器能够进行呼吸识别。
CNTF-PPPS气流传感器在呼吸检测中的传感性能
总而言之，研究人员开发了一种柔性桥式超疏水碳纳米管纤维薄膜气流传感器，该传感器不仅具有超低的检测限、快速响应和快速恢复的灵敏性能，而且在实际应用中排除了水分或水滴的影响。采用碳纳米管薄膜作为基本导电骨架，在碳纳米管薄膜表面引入超疏水结构。通过与桥式柔性基底的巧妙结合，构造出用于气流检测的传感器。该传感器具有灵敏度高、稳定性好、可靠性好、多角度检测、检测范围广、响应速度快、和恢复能力强等特点。结果表明，该传感器能够检测到流速为0.1 m/s的气流，响应时间为0.2 s，恢复时间为0.35 s。同时，独特的超疏水结构赋予了该传感器在雨水和高湿度环境中检测气流的能力。该传感器除了在气流检测方面表现出色外，在呼吸检测方面也表现出良好的灵敏度、即时性、快速性和检测精度，使其成为监测人类心肺功能和睡眠质量以及呼吸识别的潜在候选者，从而显示出广泛的应用前景。
论文信息：https://doi.org/10.1002/admi.202300077
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