中科院北京納米能源所: 全納米纖維柔性電容式壓力傳感器印刷成功

【背景介紹】

近年來，可穿戴的柔性壓力傳感器已經成為電子皮膚的重要研究方向，其在人工皮膚、智能機器人以及人體生理信號監測方面具有巨大的應用前景。大多報道的電容式柔性壓力傳感器都是基于光刻和蒸鍍工藝，這些工藝復雜，設備昂貴且涉及高溫處理過程。同時，基于旋涂工藝獲得的基底和帶微結構的介電層都是不透氣的，如果長時間的貼附皮膚或者身體，可能會引起皮膚的發炎或者瘙癢等癥狀。

納米纖維膜擁有多孔的結構，其表面由納米級的纖維構成，它比紙張更加的輕質和光滑，而且有些納米纖維是有彈性的，這些特征使得其非常適合透氣的柔性印刷壓力傳感器的構筑。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所李從舉研究員、王中林院士和胥偉華研究員指導下，基于靜電紡絲工藝以及絲網印刷工藝，碩士生楊威、趙樹宇以及助理研究員李念武設計了可印刷的全納米纖維基的透氣型柔性電容式壓力傳感器，該傳感器的構筑工藝簡單且易于操作，可低成本大面積的獲取。該透氣的壓力傳感器由聚偏氟乙烯納米纖維（PVDFNM）、銀納米線（AgNWs）、熱塑性聚氨酯納米纖維（TPUNM）組成。基于納米纖維以及銀納米線的多孔網絡結構，傳感器表現出優良的透氣性。同時，具有疏水性的PVDFNM表面的納米級空隙可以具有很好的阻止水滴的通過。因此，該傳感器表現出了皮膚的兩個基本性質-疏水性和透氣性。研究人員以TPU納米纖維的多孔結構來引入空氣間隙，制備了具有高靈敏度（4.2 kPa^-1）、快速的響應時間（<26 ms）、低的檢測極限（1.6 Pa）、優良的空氣透過性（Gurley value =17.3 s/100mL）可印刷陣列化的壓力傳感器。 此外，該傳感器成功應用于人體呼吸和心率監測，其印刷集成的傳感器陣列也能分辨平面物體的形狀，這充分的展現了其在柔性可穿戴領域具有應用前景。特別是，傳感器兼具的優良透氣性使得人體皮膚能呼吸，在一定程度上可以減少皮膚炎癥的產生。研究成果發表在近期的Advanced Materials Technologies（DOI: 10.1002/admt.201700241）上。

【圖文導讀】

圖1 透氣的電容式柔性壓力傳感器的結構和功能 （a） 基于納米纖維膜的壓力傳感器的結構 （b-d） PVDFNM、AgNWs/PVDFNM以及TPUNM的SEM圖片 （e） 傳感器的類皮膚功能

圖2 透氣的電容式柔性壓力傳感器的構建工藝及流程 （a-c）通過靜電紡絲和絲網印刷工藝構建透氣的AgNWs/PVDFNM電極 （a，b，d）通過靜電紡絲工藝構建透氣的TPU介電層 （e，f）通過超聲波焊接工藝組裝傳感器

圖3 傳感器的性能 （a）不同紡絲時間的傳感器性能對比 （b）傳感器在5.5 kPa壓力下的響應時間 （c）本工作中的傳感器靈敏度和檢測極限與已報道文獻的對比 （d）傳感器的透氣性的Gurley value

圖4 傳感器的應用 （a，b）用于人體呼吸監測 （c，d）用于人體心率監測

圖5 印刷集成1010傳感器陣列 （a）電路裝置 （b-i）用于不同物體的形狀檢測

文獻鏈接：A Breathable and Screen-Printed Pressure Sensor Based on Nanofiber Membranes for Electronic Skins （Advanced materials Technologies, 2018, DOI: 10.1002/admt.201700241）

本文由納米智能紡織實驗室供稿。

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