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吉林大學(xué)張彤教授團(tuán)隊(duì)ACS AMI：可穿戴全納米纖維離電型壓力傳感器
2022-07-10  來(lái)源：高分子科技

  隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)和生命體征信號(hào)過(guò)程中面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。電容型器件以其低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，是可穿戴設(shè)備電子單元的理想選擇。但傳統(tǒng)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(huán)境的電容噪音一般可達(dá)數(shù)十pF，而傳統(tǒng)電容型壓力傳感器的電容變化范圍也僅為數(shù)十至數(shù)百pF，導(dǎo)致其在測(cè)試過(guò)程中極易受寄生電容和環(huán)境噪聲的影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中普遍受限于其較低的靈敏度值。


  近日，吉林大學(xué)張彤教授團(tuán)隊(duì)利用靜電紡絲工藝構(gòu)筑了全納米纖維結(jié)構(gòu)的離電型壓力傳感器。傳感器襯底為TPU納米纖維膜，通過(guò)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(fù)合納米纖維膜（如圖1所示）。新型的離電型壓力傳感器結(jié)構(gòu)，即通過(guò)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(gòu)成可提供具有超高電容值的比電容。與此同時(shí)，利用納米纖維膜表面的分等級(jí)微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了傳感器靈敏度的進(jìn)一步提升（如圖2所示）。 


圖1.傳感器結(jié)構(gòu)及制作流程示意圖


 圖2.傳感器敏感機(jī)理示意圖


  柔性器件在長(zhǎng)期穿戴過(guò)程中的透氣性和散熱性是保證人體皮膚健康的重要指標(biāo)，致密聚合物薄膜會(huì)隔絕氧氣并阻礙皮膚表面水分和熱量的擴(kuò)散，長(zhǎng)時(shí)間佩戴容易引起皮膚不適，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)䦟?dǎo)致皮膚炎癥。特別是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，皮膚表面會(huì)持續(xù)產(chǎn)生熱量并分泌大量的汗液，而汗液的揮發(fā)會(huì)帶走皮膚產(chǎn)生的大部分熱量，從而維持皮膚正常的熱量擴(kuò)散。本工作中設(shè)計(jì)的全納米纖維結(jié)構(gòu)器件，纖維堆疊形成的結(jié)構(gòu)空隙能夠?yàn)樗趾蜔崃?/span>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(shí)際應(yīng)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(cè)試者的手臂和大腿處，并使測(cè)試者以20 km/h的速度騎行單車來(lái)模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在測(cè)試者騎行20 min及休息10 min的過(guò)程中，使用紅外測(cè)溫槍和皮膚測(cè)試儀在固定時(shí)段內(nèi)監(jiān)測(cè)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(shì)如圖3所示。全納米纖維結(jié)構(gòu)器件所覆蓋皮膚的溫度和水分變化趨勢(shì)與棉布覆蓋及裸露皮膚表面的變化趨勢(shì)一致，且遠(yuǎn)小于由致密TPU薄膜封裝后器件所覆蓋的皮膚區(qū)域。由此證明了傳感器內(nèi)部疏松多孔的纖維結(jié)構(gòu)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(cè)試


  本文以“All-Nanofibrous Ionic Capacitive Pressure Sensor for Wearable Applications”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上，吉林大學(xué)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(tuán)隊(duì)近期關(guān)于可穿戴柔性傳感器的最新進(jìn)展之一。吉林大學(xué)微納傳感材料與器件實(shí)驗(yàn)室（SMDLAB）長(zhǎng)期致力于面向工業(yè)生產(chǎn)安全、環(huán)境污染、人體健康以及家居環(huán)境等領(lǐng)域的氣體、濕度、壓力、溫度、生物分子等傳感檢測(cè)，開(kāi)展微納米傳感材料的設(shè)計(jì)和制備、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)。相關(guān)成果還發(fā)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(wǎng)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(zé)任編輯：xu）
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