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吉林大學(xué)張彤教授團(tuán)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(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期監(jiān)測人體運(yùn)動和生命體征信號過程中面臨的關(guān)鍵問題。電容型器件以其低功耗、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，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)致其在測試過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，利用納米纖維膜表面的分等級微納結(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(biāo)，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(kuò)散，長時間佩戴容易引起皮膚不適，嚴(yán)重時甚至?xí)䦟?dǎo)致皮膚炎癥。特別是在運(yùn)動過程中，皮膚表面會持續(xù)產(chǎn)生熱量并分泌大量的汗液，而汗液的揮發(fā)會帶走皮膚產(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(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(yùn)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(nèi)監(jiān)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(jié)構(gòu)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(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)驗室（SMDLAB）長期致力于面向工業(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，開展微納米傳感材料的設(shè)計和制備、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及應(yīng)用開發(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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