中科院北京纳米能源所: 全纳米纤维柔性电容式压力传感器印刷成功

【背景介绍】

近年来，可穿戴的柔性压力传感器已经成为电子皮肤的重要研究方向，其在人工皮肤、智能机器人以及人体生理信号监测方面具有巨大的应用前景。大多报道的电容式柔性压力传感器都是基于光刻和蒸镀工艺，这些工艺复杂，设备昂贵且涉及高温处理过程。同时，基于旋涂工艺获得的基底和带微结构的介电层都是不透气的，如果长时间的贴附皮肤或者身体，可能会引起皮肤的发炎或者瘙痒等症状。

纳米纤维膜拥有多孔的结构，其表面由纳米级的纤维构成，它比纸张更加的轻质和光滑，而且有些纳米纤维是有弹性的，这些特征使得其非常适合透气的柔性印刷压力传感器的构筑。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李从举研究员、王中林院士和胥伟华研究员指导下，基于静电纺丝工艺以及丝网印刷工艺，硕士生杨威、赵树宇以及助理研究员李念武设计了可印刷的全纳米纤维基的透气型柔性电容式压力传感器，该传感器的构筑工艺简单且易于操作，可低成本大面积的获取。该透气的压力传感器由聚偏氟乙烯纳米纤维（PVDFNM）、银纳米线（AgNWs）、热塑性聚氨酯纳米纤维（TPUNM）组成。基于纳米纤维以及银纳米线的多孔网络结构，传感器表现出优良的透气性。同时，具有疏水性的PVDFNM表面的纳米级空隙可以具有很好的阻止水滴的通过。因此，该传感器表现出了皮肤的两个基本性质-疏水性和透气性。研究人员以TPU纳米纤维的多孔结构来引入空气间隙，制备了具有高灵敏度（4.2 kPa^-1）、快速的响应时间（<26 ms）、低的检测极限（1.6 Pa）、优良的空气透过性（Gurley value =17.3 s/100mL）可印刷阵列化的压力传感器。 此外，该传感器成功应用于人体呼吸和心率监测，其印刷集成的传感器阵列也能分辨平面物体的形状，这充分的展现了其在柔性可穿戴领域具有应用前景。特别是，传感器兼具的优良透气性使得人体皮肤能呼吸，在一定程度上可以减少皮肤炎症的产生。研究成果发表在近期的Advanced Materials Technologies（DOI: 10.1002/admt.201700241）上。

【图文导读】

图1 透气的电容式柔性压力传感器的结构和功能 （a） 基于纳米纤维膜的压力传感器的结构 （b-d） PVDFNM、AgNWs/PVDFNM以及TPUNM的SEM图片 （e） 传感器的类皮肤功能

图2 透气的电容式柔性压力传感器的构建工艺及流程 （a-c）通过静电纺丝和丝网印刷工艺构建透气的AgNWs/PVDFNM电极 （a，b，d）通过静电纺丝工艺构建透气的TPU介电层 （e，f）通过超声波焊接工艺组装传感器

图3 传感器的性能 （a）不同纺丝时间的传感器性能对比 （b）传感器在5.5 kPa压力下的响应时间 （c）本工作中的传感器灵敏度和检测极限与已报道文献的对比 （d）传感器的透气性的Gurley value

图4 传感器的应用 （a，b）用于人体呼吸监测 （c，d）用于人体心率监测

图5 印刷集成1010传感器阵列 （a）电路装置 （b-i）用于不同物体的形状检测

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

本文由纳米智能纺织实验室供稿。

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