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

新加坡國立大學通訊作者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，設計了一種能夠在這些界面上通過改變電容來調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，實現(xiàn)了幾乎無摩擦的接觸線運動，從而實現(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、體內生物環(huán)境和腹腔鏡手術。

相關論文以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的Wen Cheng, Xinyu Wang和上海科技大學的熊澤博士。

【驗證微觀結構設計對傳感器重復性的影響】

研究旨在開發(fā)一種新型的壓力傳感器，稱為eAir，其設計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雙光子聚合技術實現(xiàn)了多尺度結構化的固-液-液-氣多相系統(tǒng)中的無固定接觸線運動，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構制作微型 (~ 0.5 mm3) 傳感器。柱體的表面被設計成工作電極，通過將潤滑劑注入導電納米結構中，使其變得超級滑膩。在不同液體壓力下，液體可以在不產生接觸角滯后的情況下濕潤/脫濕柱電極。這個過程改變了液體-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，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的概念和設計。a、蓮葉非潤濕表面上水-氣界面的示意圖。氣體被困在液-氣界面下方的結構之間。隨著水壓的變化，界面上下移動。b、由蓮葉制成的傳感器的壓力感測響應。c、eAir設計的示意圖。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電納米結構中，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，而不產生接觸角滯后。這個過程改變了液體-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；C0，非活性區(qū)域的界面電容。d、eAir的壓力感測響應。e、eAir器件電容器組成的示意圖，以及標有I-IV的表面，這些表面具有不同的潤濕性能，用于調節(jié)傳感器的性能。標簽（左側）對應于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，表明從強粘附到液體無摩擦滑動的過渡。這些表面性質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））進行比較。R2（確定系數）是相應設備性能曲線的線性擬合結果的值：線性度越高，線性度越好。

【驗證界面潤濕性能對傳感器性能的影響】

研究中設計的四種不同表面，它們分別被標記為I至IV。通過調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)，不同處理的表面會導致接觸線在液體表面上的固定程度不同，從而影響前進角和接觸角滯后的數值。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，會顯著增強接觸線的固定。同時，這些表面在液體壓力下可能會發(fā)生不可逆的變化，導致前進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)可以實現(xiàn)面粗糙度降至納米尺度。在實驗中如表面II時，前進角和接觸角滯后也會相應減小。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。這導致接觸線固定減少，前進角變小，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直接影響傳感器的性能。具體而言，前進角越大，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。這些結果為傳感器性能的調優(yōu)提供了指導。

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