中科院北京納米能源所Adv. Mater.：大面積全織物壓力傳感器監測人運動和生理信號

【引言】

隨著集成到衣服上的各種電子元器件，如電子皮膚、柔性晶體管、能量收集和存儲裝置的大量涌現，智能織物（電子織品）和可穿戴設備引起了人們的廣泛興趣。在這些電子元器件中，可以感受或響應外界刺激的壓力、應力傳感器是電子織品的重要組成部分。智能服裝的飛速發展對這些傳感器提出了更高的要求，希望其具有和柔性纖維可比的輕質量、舒適、柔性，然而，大多數壓力傳感器是由傳統光刻等方法制備的硅基壓力傳感器，它們的高硬度、低靈敏性和有限的傳感范圍很難滿足智能服裝未來發展需求。

最近，基于電容、壓電、壓阻和摩擦效應制備的電子皮膚已經被實現，這些超薄無機硅、柔性彈性體、導電聚合物和離子凝膠等的傳感器具有高的靈敏度和優異的柔性，但是這些器件的制備過程復雜且大多數是在高分子聚合物基底上，難以集成在智能服裝上。此外，人們需要一個大面積織物基壓力傳感器陣列來實時、動態地能夠描繪壓力分布。

【成果簡介】

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所蒲雄研究員、胡衛國研究員和王中林院士（共同通訊作者）研究小組在普通的織物基底上實現了大面積織物基壓力傳感器陣列的制備。這種織物傳感單元具有高的靈敏度（14.4kPa^-1）、低的探測極限（2Pa）、快速響應（24ms）和低能量消耗（<6μW）,并且可以在復雜的形變下保持機械穩定性。基于這些優點，該全織物基傳感器可以探測手指運動、手勢、聲音振動和實時脈搏信號。該研究成果以“Large-Area All-Textile Pressure Sensors for Monitoring Human Motion and Physiological Signals”為題發表在Adv. Mater.上。中國科學院北京納米能源與系統研究所的劉萌萌是該文章的第一作者。

【圖文導讀】

圖1. 織物基壓力傳感器的制備

（a）織物壓力傳感器制備工藝的示意圖；

（b、c）在織物上,Ni覆蓋的叉指電極掃描電鏡圖，（b）比例尺：1mm,(c)比例尺：3μm,插圖比例尺：500nm；

（d、e）覆蓋在棉織物上CNT形貌（碳納米管）在不同放大倍數下的掃描電鏡圖,(d)比例尺：500μm，（e）比例尺：100μm，插圖比例尺：1μm；

（f）織物傳感器的彎曲照片；

（g-i）直流源通過（g）打結，（h）扭曲，（i）彎曲的織物柔性導電電路點亮LED；

（j）在聚酯纖維織物上的不同導電圖案。

圖2. 機電性能的評估

（a）? 在施加不同壓力下，傳感器的I-V曲線；

（b）? 在不同量的CNT涂層下，三個壓力傳感器的壓力和電流變化關系；

（c）? 在器件上施加不同的壓力，電流隨時間的變化；

（d）? 在2800Pa下，傳感器的持久性測試；

（e） 在彎曲900次前后，壓力傳感器的性能變化，插圖是彎曲傳感的照片；

（f） 織物基傳感器分別和由在PET基底上層狀石墨烯、PI上薄膜晶體管、PDMS上AuNWs紙、PET上的金字塔結構和PET上的TESMs構成的傳感器進行靈敏度對比。

圖3. 使用織物傳感器對不同的機械力和聲音實時探測

（a）? 可穿戴傳感器附著在彎曲手指皮膚上的照片和對應彎曲程度的電流信號反應；

（b、c）? 不同機械力下對應的電流信號,(b)擠壓、（c）扭曲；

（d、e）? 一段音樂引起的聲音振動對應的實時電流信號；

（f、g）? 器件戴在脖子上，人說話時引起的電流信號；

（h）? 織物壓力傳感器附著在人造手的不同手指上；

（i）?? 不同手勢的實時電流信號；

（j）?? 不同握手壓力時的電流信號和LED實時亮度變化。

圖4. 實時脈搏信號檢測和小應變傳感性能

（a）? 織物傳感器附著在手腕上實時探測脈搏跳動信號；

（b）? 橈動脈脈搏的原始信號；

（c、d） 葉子壓在織物傳感器上的照片和電流曲線；

（e） 四個字母的摩斯電碼，接觸傳感器產生的“BINN”。

圖5. 織物基壓力傳感器陣列實現壓力場分布和軌跡監測

（a）? 像素為4*4的傳感器陣列的示意圖；

（b）? 傳感器陣列縫在衣服上，彎曲和扭曲；

（c、d） 兩根手指接觸附著在手腕上傳感器陣列及其對應的壓力分布圖案；

（e、f） Z形的亞克力板放在像素為4*4的傳感器陣列上及其相應的壓力分布信號；

（g-i） 食指在器件上滑動的軌跡方向；

（j-k） 對應的壓力分布。

【小結】

研究人員通過掩模輔助Ni涂層和CNT織物的融合，在織物上實現了具有高靈敏度、柔性多像素壓力傳感器陣列的直接制備，不需要傳統電子器件的加工技術。該工作實現了手指、聲音、樂器顫動和脈搏等壓力信號的實時檢測，為智能健康醫療的發展提供了新的思路和視角，同時為未來智能織物和可穿戴電子設備上的壓力傳感器制備提供一種非常有前景的方法。

文獻鏈接：Large-Area All-Textile Pressure Sensors for Monitoring Human Motion and Physiological Signals （Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201703700）

1.團隊介紹；

目前，胡衛國老師研究方向主要分為兩塊：1.纖維基可穿戴設備、智能服裝及柔性可拉伸電子皮膚；2.寬禁帶壓電電子學器件。具體介紹和文章請查閱所網站http://sourcedb.binn.cas.cn/zw/zjrck/yjy/201308/t20130814_3912180.html

2.團隊在該領域工作匯總；

我們主要對智能服裝的三個部分進行設計和研究：功能器件（sensors）、能量收集（energy-harvesting）器件和能源儲存（energy-storage）器件。一、功能器件，傳統的硅基傳感器會降低服裝的柔性，針對這個問題，我們研制了全纖維的壓力傳感器陣列，可以測試身體的生理信號如脈搏和身體移動信號，可以更好地集成到可穿戴設備和智能衣服中。另外除壓力傳感器，集成溫度、濕度和PH值傳感器的全纖維系統也在設計。二、能量收集器件，傳統的電化學儲能器件需要頻繁的充電，造成不方便。我們研制了集成能源轉換和儲存功能的一體化器件，可以同時收集機械能和太陽能儲存在鋰電池中，實現其自供能。三、能源儲存器件，目前，醫療診斷以及運動監測等各種市售智能紡織品仍普遍使用的是剛性電池，然而這帶來了許多不便。針對此問題，我們研制了全固態柔性平面超級電容器，擁有高比容量和循環性能。

3.相關優質文獻推薦。

1.Xiong Pu, Mengmeng Liu, Linxuan Li, Shichao Han, Xiaolong Li, Chunyan Jiang, Chunhua Du, Jianjun Luo, Weiguo Hu*,Zhong Lin Wang*, Wearable Textile-Based In-Plane Microsupercapacitors, Advanced Energy Materials, 6, 1601254 (2016)

2.Xiong Pu , Weixing Song , Mengmeng Liu , Chunwen Sun , Chunhua Du, Chunyan Jiang ,Xin Huang , Dechun Zou*, Weiguo Hu*, and Zhong Lin Wang*, Wearable Power-Textiles by Integrating Fabric Triboelectric Nanogenerators and Fiber-Shaped Dye-Sensitized Solar Cells. Advanced Energy Materials, 6, 1601048 (2016)

3.Xiong Pu, Linxuan Li, Mengmeng Liu, Chunyan Jiang, Chunhua Du, Zhenfu Zhao, Weiguo Hu*, Zhong Lin Wang*; Wearable Self-Charging Power Textile Based on Flexible Yarn Supercapacitors and Fabric Nanogenerators. Advanced Materials; 2016, 28(1): 98–105

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