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吉林大學張彤教授團隊ACS AMI：可穿戴全納米纖維離電型壓力傳感器

2022-07-10 來源：高分子科技

隨著柔性電子技術的發展，如何降低器件功耗和提高穿著舒適性成為可穿戴電子器件在長期監測人體運動和生命體征信號過程中面臨的關鍵問題。電容型器件以其低功耗、結構簡單等優勢，是可穿戴設備電子單元的理想選擇。但傳統的電容型壓力傳感器（基于平行板電容器原理）在壓力作用下電容量變化十分有限。通常，環境的電容噪音一般可達數十pF，而傳統電容型壓力傳感器的電容變化范圍也僅為數十至數百pF，導致其在測試過程中極易受寄生電容和環境噪聲的影響，因此在實際應用中普遍受限于其較低的靈敏度值。

近日，吉林大學張彤教授團隊利用靜電紡絲工藝構筑了全納米纖維結構的離電型壓力傳感器。傳感器襯底為TPU納米纖維膜，通過真空抽濾在其表面制備石墨烯電極；敏感層為TPU與[EMIM]⁺[TFSI]^?離子液體復合納米纖維膜（如圖1所示）。新型的離電型壓力傳感器結構，即通過在介電層中引入離子液體，壓力作用下電極與介電層接觸并在界面處形成雙電層電容，雙電層的構成可提供具有超高電容值的比電容。與此同時，利用納米纖維膜表面的分等級微納結構實現了傳感器靈敏度的進一步提升（如圖2所示）。

圖1.傳感器結構及制作流程示意圖

圖2.傳感器敏感機理示意圖

柔性器件在長期穿戴過程中的透氣性和散熱性是保證人體皮膚健康的重要指標，致密聚合物薄膜會隔絕氧氣并阻礙皮膚表面水分和熱量的擴散，長時間佩戴容易引起皮膚不適，嚴重時甚至會導致皮膚炎癥。特別是在運動過程中，皮膚表面會持續產生熱量并分泌大量的汗液，而汗液的揮發會帶走皮膚產生的大部分熱量，從而維持皮膚正常的熱量擴散。本工作中設計的全納米纖維結構器件，纖維堆疊形成的結構空隙能夠為水分和熱量傳輸提供通道，賦予傳感器良好的透氣性和散熱性。為了證明傳感器在實際應用中的透氣和散熱性能，分別將全纖維器件、TPU致密薄膜封裝的器件以及普通棉布分別貼附于測試者的手臂和大腿處，并使測試者以20 km/h的速度騎行單車來模擬運動過程。在測試者騎行20 min及休息10 min的過程中，使用紅外測溫槍和皮膚測試儀在固定時段內監測以上三種覆蓋情況及裸露情況的皮膚表面溫度和水分變化，其變化趨勢如圖3所示。全納米纖維結構器件所覆蓋皮膚的溫度和水分變化趨勢與棉布覆蓋及裸露皮膚表面的變化趨勢一致，且遠小于由致密TPU薄膜封裝后器件所覆蓋的皮膚區域。由此證明了傳感器內部疏松多孔的纖維結構為水蒸氣和空氣的流通提供了大量通道，保證了皮膚的正常呼吸。

圖3.傳感器透氣性和散熱性測試

本文以“All-Nanofibrous Ionic Capacitive Pressure Sensor for Wearable Applications”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上，吉林大學為第一單位，第一作者為林修竹博士，通訊作者為趙紅然副教授和張彤教授。

上述工作是團隊近期關于可穿戴柔性傳感器的最新進展之一。吉林大學微納傳感材料與器件實驗室（SMDLAB）長期致力于面向工業生產安全、環境污染、人體健康以及家居環境等領域的氣體、濕度、壓力、溫度、生物分子等傳感檢測，開展微納米傳感材料的設計和制備、傳感器的結構設計以及應用開發。相關成果還發表在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。課題組網站鏈接：http://smdlab.jlu.edu.cn/index.htm

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c01806

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（責任編輯：xu）

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