“温度自补偿型”应力传感气凝胶材料的可控制备

Integrated, intelligent and extensive-reliable stress sensors are highly desirable in fabrications of more integrated and intelligent devices in the near future. However, because of the temperature drift of the piezoresistive materials caused by the temperature-dependent electrical resistances and the volatile application environments, the temperature-compensation system has to be involved and calibrated frequently in order to determine the stress being measured accurately, which making the measurements more complex and applicable restricted. A new self-temperature-compensated pressure sensing technology is proposed in this project. In order to obtain an ideal sensing material with nearly-zero temperature coefficient resistance (TCR) for self-temperature-compensated pressure sensors, we proposed an Incipient Network Conformal Growth (INCG) technology to prepare organic-inorganic hybrid and elastic porous materials. The electrical and mechanical properties of the sensing materials will be tailored by changing the syntheses conditions.

传感器的智能化、集成化和应用环境多样化的发展趋势，对现有传感材料提出了更高的要求。随着探索领域的拓展，应力传感的使用环境日益多样化和复杂化，不可避免的需要对现有传感器进行反复多次的“温度补偿”，带来了传感精度下降、难度提高和工作量加大等多方面问题。所以，亟待发展一种新型“温度自补偿型”应力传感技术。本项目首次提出并采用“初级网络-共形生长”（Incipient-Network Conformal-Growth，INCG）技术，通过具有特殊“核-壳”骨架结构、原位编织的3D凝胶网络的可控构建，将表现出正温度系数（PTC）的金属和负温度系数（NTC）的导电高分子/半导体材料进行复合，旨在：（1）赋予复合材料较好的结构弹性；（2）实现程序化调控下的“低/零温度系数”应力传感材料的可控制备，在此基础上实现一种全新的“温度自补偿型”压阻式应力传感器的应用开发。

气凝胶曾被誉为改变世界的新材料，在航空航天、国防、 建筑、工业管道保温等领域都有极其广泛的应用前景。从结构上看，气凝胶是由零维的量子点、一维的纳米线或者二维的纳米片等低维纳米结构经三维组装而成的超轻多孔纳米材料。低维纳米结构的各种变量，如几何形状、尺寸、密度、表面形貌、化学属性等参数，都会对最终获得的气凝胶性能产生重要影响。迄今为止，已有多种低维纳米结构组装成功能各异的气凝胶，但导电高分子弹性气凝胶的可控制备面临巨大挑战，这主要是由导电高分子分子链刚性大、材料质脆所决定的。如何通过结构设计、可控组装和工艺加工等手段，获得高性能导电高分子气凝胶材料，仍然是该领域所面临的重要基础研究课题之一。基于此，本项目：1）提出了一种多孔材料制备技术—INCG技术，可用于制备一系列新型多孔材料；2）突破了弹性导电高分子气凝胶的制备瓶颈，得到的导电高分子气凝胶压缩率可达90%以上，在几秒钟之后恢复形变，具有极好的抗压缩稳定性（>3000次）；3）成功制备具有“零”电阻温度系数的导电凝胶，构建“温度自补偿”压力传感器，以此气凝胶材料所构建“温度自补偿”压力传感器具有高稳定性（TCR≤0.86 × 10-3 /οC），高灵敏度（0.33 kPa-1），短响应时间（1 ms），低检测限（4.93 Pa）等优点，此外，这些气凝胶材料具有质轻、易功能化、可加工成为高效吸附材料和压敏型智能焦耳加热器等性能优势。研究成果发表在ACS Nano杂志上（被引49次），参与撰写英文专著一部，申请两项发明专利。获得上海晨光、卫计委优青2项人才项目资助。本项目将继续研究基于导电高分子凝胶基质的智能生物传感系统，为更多新型生物传感器的研发奠定基础。