基于聚合物电解质薄膜的新型柔性离子敏湿度传感器及其多功能可穿戴应用

advs-zhangting近年来,柔性可穿戴电子在健康医疗、运动监控等方面越来越受到关注,尤其是随着各类柔性传感器的迅速发展,极大的拓展了柔性电子的应用方式和范围。例如,柔性压力、温度传感器的开发,极大促进了柔性仿生皮肤电子、机器人人机界面交互及植入式生物医疗等柔性电子技术的发展。然而,作为在日常生活、工业生产等方面具有非常重要潜在应用价值的柔性湿度传感器方面的研究报道却相对较少,这主要是由于常用诸如碳纳米材料、金属纳米线及多孔陶瓷等敏感材料在制备工艺条件、响应灵敏性、湿度选择性传感等方面都存在一定制约。例如,陶瓷和金属氧化物湿度敏感材料在脱附水分子过程较慢且需要进行加热处理,在传感过程中需要进行温度补偿;基于场效应晶体管的湿度传感器制备工艺复杂、成本较高、湿滞问题明显。因此,发展一种基于易于规模化制备的具有宽响应范围、快速响应能力的湿度选择性柔性传感器在柔性电子领域是一项挑战。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽研究员团队成员李铁博士和研究生李连辉(共同一作)等针对这一问题研发出基于PVA/KOH聚合物电解质多孔薄膜获得新型离子敏湿度传感器,实现在较宽湿度范围内的线性快速响应,且器件对温度或力学变化无明显响应,并在湿度开关及人体皮肤水分测量方面展现出良好多功能应用前景,非常适合用于可穿戴柔性系统。advs-zhangting1

该研究在常温常压下通过溶液自蒸发成形制备方法获得均匀溶解的大面积PVA/KOH聚合物电解质固体柔性敏感薄膜,分析表明KOH在冷却过程中无晶体析出,完全溶解在PVA基体之中,柔性薄膜内部存在着大量孔状连通结构,且具有较好的力学性能及均一电学性能,这些特性都有利于气态水分子在薄膜壁上吸附及离子在薄膜内部的快速迁移,从而提高离子敏感层响应速率、灵敏度及范围。研究表明,柔性湿度传感器在较宽湿度范围内(10%-81%)具有良好线性响应能力,且响应和恢复速率非常快(分别达到0.4 s和2.6 s);力学及温度测试表明此器件表现出很好的选择性,对温度或力学变化无明显响应,非常适合用于可穿戴柔性系统。进一步,将此柔性湿度传感器与LED显示灯、后端处理电路板及高精度源表相联接,构筑非接触式柔性湿度开关系统,当手指靠近湿度开关时,LED通过开/关或明/暗亮度变化来实现非接触响应可视显示。另外,人体皮肤水分含量对于美容美颜保养、生理健康评估等都具有重要的参考价值,基于非接触响应系统构建了器件灵敏度与水分含量之间的线性关系,初步实现了对人体皮肤水分预测能力,在护肤日用品应用、健康管理等方面都展现出诱人的应用前景。相关结果发表于Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201600404),并被选为当期的背封面论文(Back cover)向读者重点介绍。