Biomimetic nanofiber-iongel composites for flexible pressure sensors with broad range and ultra-high sensitivity

材料科学 纳米纤维 压力传感器 电子皮肤 复合数 复合材料 纳米技术 灵敏度(控制系统) 纺纱 电容 模数 光电子学 电极 机械工程 电子工程 工程类 物理化学 化学
作者
Xin Gou,Jun Yang,Pei Li,Min Su,Zhihao Zhou,Changrong Liao,Chao Zhang,Chenhui Dong,Chunbao Li
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:120: 109140-109140 被引量:40
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2023.109140
摘要

To achieve high-performance flexible pressure sensors, it is imperative to develop biomimetic devices that mimic the functional structure and sensing mechanism of human skin. Nevertheless, the creation of skin-like sensors with both ultra-high sensitivity and broad response range poses a formidable challenge. Drawing inspiration from the tactile sensing mechanisms and hierarchical structure of human skin, we engineered a nanofiber-iongel (NFIG) composite with internally graded stiffness characteristics and surface semi-embedded microstructures through the application of electrostatic spinning and droplet injection methods. The gel mimics the layered nanofiber structure of human skin, along with its ion-sensing mechanism, and comprises an ion gel infused with highly elastic PVDF-HFP nanofibers. This study explores the impact of Young's modulus and external pressure on unit capacitance, and it establishes a fiber-gel composite model to assess how the fibers influence sensor performance, encompassing ion fluxes, displacements, and alterations in electric potential. These findings reveal that the utilization of high-modulus materials enhances ion mobility, decreases the double electrical layer thickness, and augments pressure resistance. Based on these discoveries, we engineered the NFIG sensor, which exhibits ultra-high sensitivity (>10,000 kPa−1), a wide pressure range (∼1000 kPa), and exceptional stability (over 5000 cycles). Furthermore, this sensor is versatile, finding utility in a range of human monitoring contexts, array configurations, and even skateboard monitoring, thereby substantiating its promise in the fields of human-computer interaction and sports health.
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