基于MWCNTs/PDMS导电复合材料的宽传感范围柔性压阻式海绵传感器的制备与性能研究

何奇; 郭少华; 叶飞; 袁学光; 张阳安; 王琦

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基于MWCNTs/PDMS导电复合材料的宽传感范围柔性压阻式海绵传感器的制备与性能研究

首发时间：2025-02-26

何奇 ^{1
2}
何奇（2000-），女，主要研究方向：柔性传感器与可穿戴装置
郭少华 ^{1
2} 叶飞 ^{1
2} 袁学光 ^{1
2} 张阳安 ^{1
2} 王琦 ^{1
2}
王琦（1976-），男，教授、博导，主要研究方向：智能感知技术与应用

1、北京邮电大学电子工程学院，北京 100876
2、北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876

摘要：近年来，多孔柔性压阻式传感器因其制备简单、成本低、易集成等优势，被人们广泛关注。然而，现有的多孔柔性压阻式传感器因传感介质的比表面积与弹性模量呈强负相关性，难以同时检测微小压力和高压力，故在实现宽压力范围的传感上存在一定的技术挑战。为此，本研究利用牺牲模板法并结合多壁碳纳米管（MWCNTs）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）导电复合材料开发出一种柔性压阻式传感器，其传感介质为具有多孔结构的导电海绵，通过调节制备导电海绵所需的NaCl牺牲模板与MWCNTs的含量，使其兼具高比表面积与高弹性模量，从而传感器能够在300Pa-3.01MPa的超宽传感范围内稳定工作，并在300Pa-391kPa的压力范围内展现出高达1.39kPa^-1的灵敏度（区间线性度为97.2%）。同时，传感器在200kPa压力下2200次加载-卸载循环后仍保持稳定信号输出，展现出较好的抗疲劳特性。此外，本传感器已成功用于人体运动信号（指关节、肘关节、膝关节的弯曲-伸直动作以及坐立动作）的监测，验证了其在宽压力范围传感场景下的实用性。

关键词：电子科学与技术柔性压阻式传感器牺牲模板法海绵导电复合材料宽传感范围。

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Preparation and Performance Study of a Wide-Sensing-Range Flexible Piezoresistive Sponge Sensor Based on MWCNTs/PDMS Conductive Composites

HE Qi ¹
何奇（2000-），女，主要研究方向：柔性传感器与可穿戴装置
GUO Shaohua ² YE Fei ¹ YUAN Xueguang ² ZHANG Yangan ¹ WANG Qi ²
王琦（1976-），男，教授、博导，主要研究方向：智能感知技术与应用

1、School of Electronic Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876
2、State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876

Abstract：In recent years, porous flexible piezoresistive sensors have been widely concerned because of their advantages such as simple preparation, low cost and easy integration. However, due to the strong negative correlation between the specific surface area of the sensing medium and the elastic modulus, the existing porous flexible piezoresistive sensors are difficult to detect both small pressure and high pressure at the same time, so there are some technical challenges in realizing the sensing of a wide pressure range. Therefore, in this study, a flexible piezoresistive sensor was developed using the sacrificial template method combined with multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs)/polydimethylsiloxane (PDMS) conductive composite material. The sensing medium of the sensor was a conductive sponge with porous structure. By adjusting the content of NaCl sacrificial template and MWCNTs required for the preparation of conductive sponges, The combination of high specific surface area and high elastic modulus enables the sensor to operate stably over an ultra-wide sensing range of 300 Pa-3.01 MPa and to exhibit sensitivity of up to 1.39kPa^-1 (97.2% interval linearity) over a pressure range of 300 Pa-391 kpa. At the same time, the sensor still maintains a stable signal output after 2200 load-to-unload cycles at 200kPa pressure, showing good anti-fatigue characteristics. In addition, the sensor has been successfully applied to the monitoring of human motion signals (knuckle, elbow, knee flexural and sit-stand motions), which verifies its practicability in wide pressure range sensing scenarios.

Keywords： Electronic Science and Technology Flexible Piezoresistive Sensor Sacrificial Template Method Sponge Conductive Composites Wide Sensing Range

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何奇，郭少华，叶飞，等. 基于MWCNTs/PDMS导电复合材料的宽传感范围柔性压阻式海绵传感器的制备与性能研究[EB/OL]. 北京：中国科技论文在线 [2025-02-26]. https://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/202502-118.

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论文编号	202502-118
论文题目	基于MWCNTs/PDMS导电复合材料的宽传感范围柔性压阻式海绵传感器的制备与性能研究
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