客戶成功案例| Nature Materials：受荷葉啟發(fā)，超靈敏壓力傳感器，可用于無線顱內(nèi)壓監(jiān)測和腹腔鏡手術(shù)

新加坡國立大學(xué)通訊作者Benjamin C. K. Tee博士等人，從荷葉表面的氣體包裹現(xiàn)象中汲取靈感，通過利用固液液氣多相界面和彈性氣體層，設(shè)計(jì)了一種能夠在這些界面上通過改變電容來調(diào)制壓力的壓力傳感器。該傳感器由Nanoscribe基于雙光子聚合原理的PPGT2微納加工系統(tǒng)制作。這種制作方法將摩擦降低，實(shí)現(xiàn)了幾乎無摩擦的接觸線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了卓yue的壓力傳感性能。該傳感器在具有挑戰(zhàn)性的條件下展示了其功能，包括湍流流動(dòng)、體內(nèi)生物環(huán)境和腹腔鏡手術(shù)。

相關(guān)論文以Frictionless multiphasic interface for near-ideal aero-elastic pressure sensing為題，發(fā)表在Nature materials期刊上。共同第一作者是新加坡國立大學(xué)的Wen Cheng, Xinyu Wang和上?？萍即髮W(xué)的熊澤博士。

【驗(yàn)證微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對傳感器重復(fù)性的影響】

研究旨在開發(fā)一種新型的壓力傳感器，稱為eAir，其設(shè)計(jì)靈感源自荷葉非潤濕表面上的水-空氣界面現(xiàn)象。與傳統(tǒng)的固態(tài)壓力傳感器不同，科研人員通過Nanoscribe雙光子聚合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多尺度結(jié)構(gòu)化的固-液-液-氣多相系統(tǒng)中的無固定接觸線運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)造了一種新型的飛行彈性電容式壓力傳感器。以尼羅花豬籠草植物為模型，使用六邊形墻式柱陣微結(jié)構(gòu)制作微型 (~ 0.5 mm3) 傳感器。柱體的表面被設(shè)計(jì)成工作電極，通過將潤滑劑注入導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)中，使其變得超級滑膩。在不同液體壓力下，液體可以在不產(chǎn)生接觸角滯后的情況下濕潤/脫濕柱電極。這個(gè)過程改變了液體-電極的接觸面積，從而改變了電容。與其他在液體環(huán)境中操作的壓力傳感器相比，這些傳感器可以測量液體中微小的壓力波動(dòng)，具有超低的滯后 (1.34 ± 0.20%)、高靈敏度 (79.1 ± 4.3 pF kPa^-1) 和很高的線性度 (R2 = 0.99944 ± 0.00015; 非線性度 1.49 ± 0.17%)。

圖1  eAir的概念和設(shè)計(jì)。a、蓮葉非潤濕表面上水-氣界面的示意圖。氣體被困在液-氣界面下方的結(jié)構(gòu)之間。隨著水壓的變化，界面上下移動(dòng)。b、由蓮葉制成的傳感器的壓力感測響應(yīng)。c、eAir設(shè)計(jì)的示意圖。柱體表面用作工作電極，并受到藤壺植物的啟發(fā)，通過將潤滑劑注入導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)中，使其變得超滑。液體可以在不同的液體壓力下潤濕/脫濕柱電極，而不產(chǎn)生接觸角滯后。這個(gè)過程改變了液體-電極的接觸面積，從而改變了電容。插圖：eAir的等效電路。Ccounter，液體-對電極界面處的電雙層電容；CEDL.ct，液體-工作電極涂層界面處的電雙層電容；Cd.ct，工作電極和表面涂層-液體界面之間的介電電容；Cd+air，工作電極和液體之間的電容通過氣體傳導(dǎo)；C0，非活性區(qū)域的界面電容。d、eAir的壓力感測響應(yīng)。e、eAir器件電容器組成的示意圖，以及標(biāo)有I-IV的表面，這些表面具有不同的潤濕性能，用于調(diào)節(jié)傳感器的性能。標(biāo)簽（左側(cè)）對應(yīng)于c中的插圖。Δθ，表面的接觸角滯后。隨著表面粗糙度從IV降低到I，Δθ也減小，表明從強(qiáng)粘附到液體無摩擦滑動(dòng)的過渡。這些表面性質(zhì)的變化影響傳感器的性能。f、非理想壓力傳感器的正向/反向閾值性能示意圖，以及理想壓力傳感器的線性和無滯后性能示意圖。g、與已報(bào)道的液體環(huán)境壓力傳感器的線性性能比較。為了突出差異，定義了線性度（1 /（1-R2））進(jìn)行比較。R2（確定系數(shù)）是相應(yīng)設(shè)備性能曲線的線性擬合結(jié)果的值：線性度越高，線性度越好。

【驗(yàn)證界面潤濕性能對傳感器性能的影響】

研究中設(shè)計(jì)的四種不同表面，它們分別被標(biāo)記為I至IV。通過調(diào)整表面的粗糙度和能量，這些表面具有不同的接觸角和接觸角滯后。研究者發(fā)現(xiàn)，不同處理的表面會(huì)導(dǎo)致接觸線在液體表面上的固定程度不同，從而影響前進(jìn)角和接觸角滯后的數(shù)值。表面粗糙度較高的情況下，如表面III和IV，由于聚苯胺（PAni）納米線的存在，會(huì)顯著增強(qiáng)接觸線的固定。同時(shí)，這些表面在液體壓力下可能會(huì)發(fā)生不可逆的變化，導(dǎo)致前進(jìn)角和接觸角滯后在施加壓力后增加。Nanoscribe雙光子微納加工系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)面粗糙度降至納米尺度。在實(shí)驗(yàn)中如表面II時(shí)，前進(jìn)角和接觸角滯后也會(huì)相應(yīng)減小。在表面I上，通過涂抹硅油，表面變得非常光滑，類似于滑潤的液體滲透多孔表面。這導(dǎo)致接觸線固定減少，前進(jìn)角變小，接觸角滯后幾乎可以忽略。研究人員還觀察到，不同的界面潤濕特性會(huì)直接影響傳感器的性能。具體而言，前進(jìn)角越大，傳感器的正向閾值越高；而接觸角滯后越大，傳感器的反向閾值和滯后性能也越高。這些結(jié)果為傳感器性能的調(diào)優(yōu)提供了指導(dǎo)。

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