吉林大学张彤教授团队ACS AMI：可穿戴全纳米纤维离电型压力传感器

2022-07-10 来源：高分子科技

随着柔性电子技术的发展，如何降低器件功耗和提高穿着舒适性成为可穿戴电子器件在长期监测人体运动和生命体征信号过程中面临的关键问题。电容型器件以其低功耗、结构简单等优势，是可穿戴设备电子单元的理想选择。但传统的电容型压力传感器（基于平行板电容器原理）在压力作用下电容量变化十分有限。通常，环境的电容噪音一般可达数十pF，而传统电容型压力传感器的电容变化范围也仅为数十至数百pF，导致其在测试过程中极易受寄生电容和环境噪声的影响，因此在实际应用中普遍受限于其较低的灵敏度值。

近日，吉林大学张彤教授团队利用静电纺丝工艺构筑了全纳米纤维结构的离电型压力传感器。传感器衬底为TPU纳米纤维膜，通过真空抽滤在其表面制备石墨烯电极；敏感层为TPU与[EMIM]⁺[TFSI]^?离子液体复合纳米纤维膜（如图1所示）。新型的离电型压力传感器结构，即通过在介电层中引入离子液体，压力作用下电极与介电层接触并在界面处形成双电层电容，双电层的构成可提供具有超高电容值的比电容。与此同时，利用纳米纤维膜表面的分等级微纳结构实现了传感器灵敏度的进一步提升（如图2所示）。

图1.传感器结构及制作流程示意图

图2.传感器敏感机理示意图

柔性器件在长期穿戴过程中的透气性和散热性是保证人体皮肤健康的重要指标，致密聚合物薄膜会隔绝氧气并阻碍皮肤表面水分和热量的扩散，长时间佩戴容易引起皮肤不适，严重时甚至会导致皮肤炎症。特别是在运动过程中，皮肤表面会持续产生热量并分泌大量的汗液，而汗液的挥发会带走皮肤产生的大部分热量，从而维持皮肤正常的热量扩散。本工作中设计的全纳米纤维结构器件，纤维堆叠形成的结构空隙能够为水分和热量传输提供通道，赋予传感器良好的透气性和散热性。为了证明传感器在实际应用中的透气和散热性能，分别将全纤维器件、TPU致密薄膜封装的器件以及普通棉布分别贴附于测试者的手臂和大腿处，并使测试者以20 km/h的速度骑行单车来模拟运动过程。在测试者骑行20 min及休息10 min的过程中，使用红外测温枪和皮肤测试仪在固定时段内监测以上三种覆盖情况及裸露情况的皮肤表面温度和水分变化，其变化趋势如图3所示。全纳米纤维结构器件所覆盖皮肤的温度和水分变化趋势与棉布覆盖及裸露皮肤表面的变化趋势一致，且远小于由致密TPU薄膜封装后器件所覆盖的皮肤区域。由此证明了传感器内部疏松多孔的纤维结构为水蒸气和空气的流通提供了大量通道，保证了皮肤的正常呼吸。

图3.传感器透气性和散热性测试

本文以“All-Nanofibrous Ionic Capacitive Pressure Sensor for Wearable Applications”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，吉林大学为第一单位，第一作者为林修竹博士，通讯作者为赵红然副教授和张彤教授。

上述工作是团队近期关于可穿戴柔性传感器的最新进展之一。吉林大学微纳传感材料与器件实验室（SMDLAB）长期致力于面向工业生产安全、环境污染、人体健康以及家居环境等领域的气体、湿度、压力、温度、生物分子等传感检测，开展微纳米传感材料的设计和制备、传感器的结构设计以及应用开发。相关成果还发表在Nano-Micro Letters 2021, 13, 200、Small Methods 2021, 2100515、 Biosensors & Bioelectronics 2021, 191, 113459、Journal of Hazardous Material 2021, 418, 126290、ACS Applied Materials & Interfaces 2019, 11, 31, 28023-28032、ACS Sensors 2020, 5, 346-352、IEEE Electron Device Letters 2021, 42, 1857-1860、Sensors and Actuators B:Chemical 2022, 365, 131928等期刊上。课题组网站链接：http://smdlab.jlu.edu.cn/index.htm

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c01806

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（责任编辑：xu）

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