【用户成果】基于全纳米纤维平台的可打印、柔性、透气和防汗双功能传感器
文摘
2024-06-26 10:03
上海
对于与人类和环境互动的可穿戴电子设备而言，柔性传感器对外部刺激的感知至关重要，因为它为智能化提供了关键信息。在各种传感参数中，压力和温度是最基本的参数。过去，人们一直致力于研究仅具有压力或温度传感功能的先进柔性传感器。最近，技术的进步将研究前沿推向了同时具有机械和热感应能力的双功能传感器的开发，因为它近似于人体皮肤的自然感应机制。为了构建压力-温度传感器，研究人员设计并制造了各种双功能结构和先进材料，它们能够对多种刺激做出响应。然而，在实际应用中仍存在一些干扰限制。一方面，由于结构设计和材料选择相对不足，大多数报道的压力和温度灵敏度仍然较低，因此获得的微弱传感信号很容易被环境噪声淹没。另一方面，以前的双功能传感器大多是基于同一种双功能传感材料制造的，这种材料能够以相同的输出传感信号(如电阻、电容、电流或电压对压力和温度刺激做出响应。因此，由压力和温度引起的输出传感信号不可避免地会受到干扰，在输出传感信号值相同的情况下，很难或很难准确确定正确刺激的类型和数值。因此，亟需开发具有独立压力和温度传感组件的双功能传感器，这些组件只依靠自身的传感机制工作，对另一种传感机制几乎没有干扰。已有一些尝试，如电容电阻式、电阻-热电式、电阻-热电式和压电-热电式双功能传感器。然而，大多数已报道的传感器设备都不是一个集成单元，而是将两个独立的传感元件并联在基板同一侧的简单布局。在这种设计下，压力和温度的精确传感点相互分离，从而限制了传感位置的精确性。因此，如果能将压力和温度传感元件叠加在一起开发出一种双功能传感器，在同一位置检测两种外部刺激，效果将大大改善。除了上述传感干扰问题外，目前的柔性传感器在长时间贴肤佩戴时的舒适性不足也是另一个问题，这也是实际应用中需要解决的问题。大多数已报道的柔性传感器都建立在不透气的基底上，这意味着设备不透气。在皮肤上佩戴这种不透气的传感设备数小时甚至数天，不可避免地会带来不舒服的感觉，如潮湿、闷热甚至发炎。此外，以前的柔性传感器也没有验证是否防水。因此，长时间佩戴后，佩戴者皮肤分泌的汗水会浸湿传感器装置，导致其物理结构和传感性能下降。因此，迫切需要一种具有独特透气性和防汗性的新型柔性传感器，以保证长时间佩戴的舒适性。模仿人体皮肤功能的柔性双功能传感器为智能化提供了与人和环境交互的重要信息，因此非常重要。然而，来自不同刺激的传感信号之间的干扰以及长时间贴肤佩戴的舒适性不足等问题依然存在。在此，河北工业大学孟垂舟、禹伟教授团队提出了一种基于压力诱导超电容和温度诱导电阻两个可测量参数的超薄柔性双功能传感器，两者之间的串扰可忽略不计。该传感器由一个平面离子超级电容器和一个蛇形电阻器组成，共七层，集成在一个电纺热塑性TPU基纳米纤维平台上。基于PEDOT:PSS的传感电极是通过直接油墨书写方法图案化的，并添加了石墨烯纳米片和 Co3O4 纳米粒子以提高传感性能。同时实现了高压力灵敏度(147.19 kPa-1，0-7 kPa；4.41 kPa-1，25-85 kPa)和高温度灵敏度(0.040℃-1，25-50℃；0.002℃-1，50-100℃)。该传感器还具有湿度惰性、防水性和透气性等优点，透气性好，佩戴舒适。在无线和实时模式下，演示了压力-温度解耦传感应用，即检测不同温度物体的各种微妙压力。所提出的双功能传感器在可穿戴医疗保健监测方面显示出巨大的潜力。相关研究以“Printable, flexible, breathable and sweatproof bifunctional sensors based on an all-nanofiber platform for fully decoupled pressure–temperature sensing application”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。Fig. 1. Structural design and photographs of the flexible all-nanofiber pressure–temperature sensor.Fig. 2. Morphology characterization of the all-nanofiber pressure–temperature sensor.Fig. 3. Working principle and performance evaluation of the temperature sensor.Fig. 4. Working principle and performance evaluation of the pressure sensor.Fig. 5. Stability test of the pressure–temperature sensor.Fig. 6. Simultaneous temperature and pressure sensing application demonstration of the ultrathin and flexible bifunctional sensor.作者展示了一种超薄柔性双功能传感器，它具有压力感应超级电容和温度感应电阻两个可测量参数。该传感器是通过在蛇形电阻器下方集成一个平面离子超级电容器而设计的，整个配置是通过电纺基于热塑性聚氨酯的前驱体溶液在全纳米纤维平台上构建的。主动传感电极是通过直接写入基于 PEDOT:PSS 的油墨来图案化的，在蛇形电阻器中引入了G纳米片以改善吸湿/释湿效果，在数字间电极中加入了 Co3O4 纳米粒子以增加伪电容效果。因此，压力灵敏度提高到 147.19 kPa-1(0-7 kPa)，温度灵敏度提高到 0.040 ℃-1(25-50℃)。压力和温度传感功能得到验证，两者之间的串扰可忽略不计。此外，由于采用了多孔TPU纳米纤维框架，该传感器还具有湿度惰性、防水性和透气性，并通过了长期贴肤佩戴测试不会引起皮肤发红和发炎。最后，在无线和实时模式下，比较演示了不同温度物体对各种微妙压力的解耦压力-温度传感，如指尖和笔尖接触传感器、热水和普通水滴滴落、运动前后手腕脉搏跳动和体温监测等。所开发传感器的出色双功能性能确保了其在医疗保健监测等可穿戴传感领域的潜在应用。Printable, flexible, breathable and sweatproof bifunctional sensors based on an all-nanofiber platform for fully decoupled pressure–temperature sensing applicationhttps://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139174*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!
