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(cè)、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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)環(huán)境氣流，而且在呼吸健康監(jiān)測(cè)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(dòng)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)?；诔杷技{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(cè)。

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(cè)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(cè)范圍和響應(yīng)時(shí)間比較可知，該CNTF-PPPS傳感器的檢測(cè)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(cè)。

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(cè)能力（無論傳感器的傾斜角度如何）。雨滴不會(huì)影響氣流傳感器的性能。目前，對(duì)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(duì)CNTF-PPSS氣流傳感器影響的研究

CNTF-PPPS氣流傳感器在氣流檢測(cè)中表現(xiàn)出高靈敏度、快速響應(yīng)和恢復(fù)的優(yōu)異性能。考慮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(duì)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(cè)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(shí)別。

CNTF-PPPS氣流傳感器在呼吸檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)、檢測(cè)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(cè)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(cè)氣流的能力。該傳感器除了在氣流檢測(cè)方面表現(xiàn)出色外，在呼吸檢測(cè)方面也表現(xiàn)出良好的靈敏度、即時(shí)性、快速性和檢測(cè)精度，使其成為監(jiān)測(cè)人類心肺功能和睡眠質(zhì)量以及呼吸識(shí)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