基于蚕丝纳米纤维膜的高灵敏电子皮肤

近年来,基于高灵敏度、低成本的可穿戴压力传感器引起了人们的广泛关注。现有的压力传感器通常分为四类,晶体管式、压电式、电容式、压阻式,其中晶体管式需要复杂的器件组装过程,压电式的检测范围相对较窄且灵敏度较低,电容式压力传感器易受电容耦合的干扰。而压阻式传感器器件组装过程简易、灵敏度高且无迟滞效应,因此可穿戴器件有着很大的实际应用潜力。典型的压阻式压力传感器通常是由具有微结构的弹性聚合物基底和导电层构成。虽然这种压阻式压力传感器可以实现高灵敏度、快速响应等性能,但带有微结构的聚合物基底通常需要印模、转印、刻蚀等复杂的制备过程。同时,为实现高灵敏度,多种纳米材料被用作导电层,如碳纳米管、石墨烯、金属纳米线等,这些材料制备过程比较复杂、成本较高,加之潜在的未明确的毒性等问题,从而使得相关的可穿戴器件离实用化还有较大距离。发展环境友好的、制备过程简单的压力传感器对可穿戴设备的发展与实用化具有重要的价值和意义。

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蚕丝是一种天然的生物材料,具有来源广泛、环境友好、可加工性强、生物兼容性好等特点,因此,在可穿戴器件中具有独特的应用价值。近日,清华大学张莹莹课题组(第一作者为博士研究生王琪)以蚕丝作为原材料,通过静电纺丝与高温碳化技术相结合,得到了透明的导电碳化纳米纤维膜,基于此,制备了具有高灵敏度(34.47 kPa−1)、高透明度(90.75%)、低检测极限(0.8 Pa)、快速响应时间(<16.7 ms)、可阵列化集成的压力传感器。该研究利用成熟的静电纺丝技术,先得到大面积均匀的蚕丝纳米纤维膜,然后通过高温处理使其转化为具有高导电性的具有石墨化微晶的碳纳米纤维膜,从而作为压力传感器的导电功能层。该方法的优势在于:1)以我国产量丰富的桑蚕丝作为原材料,原料来源广泛、人体友好、成本低廉; 2)通过调节实验条件,可以方便地对纳米纤维膜的宏观性能,如电导率、透明度、厚度等进行调控;3)该超薄柔性传感器具有很高的灵敏度,且可与皮肤紧密贴合,从而对微小的生理信号可实时的、高保真性的检测和输出;4)该传感器可大面积制备,也可集成为传感器阵列,用于压力分布的检测。综上,这项研究发展了一种制备方法简单、环境友好、成本低廉、适宜大规模生产的柔性力学传感器的制备途径,该传感器可贴附于人体皮肤或集成在可穿戴设备中,实现对人体生理信号(如心率、脉搏、发声等)的实时检测,在健康监测、触觉重建和人机交互等领域有潜在的应用价值。

相关研究工作发表在近期出版的Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201605657)上。

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