一種具有壓力和溫度雙重監(jiān)測(cè)功能的全納米纖維柔性離電傳感器

具有實(shí)用功能的可穿戴多功能傳感器對(duì)于電子皮膚（e-skin）、健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，青島大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials Technologies期刊上發(fā)表了以“All-Nanofiber Iontronic Sensor with Multiple Sensory Capabilities for Wearable Electronics”為主題的文章。該論文的第一作者為Sai Wang，通訊作者為韓文鵬和龍?jiān)茲山淌?。這項(xiàng)研究利用靜電紡絲技術(shù)制備了一種具有壓力和溫度雙重監(jiān)測(cè)功能的全納米纖維柔性離電傳感器。該傳感器的離子介電層是通過靜電紡絲離子液體（IL）與聚丙烯腈（PAN）的混合物而制成的。

值得注意的是，研究人員在離子介電層與電極層之間集成了一層間隔膜，從而形成了三明治結(jié)構(gòu)的介電結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)間隔膜的厚度，上述科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙電層（EDL）電容形成過程的控制。該離電壓力傳感器在0 ~ 50 kPa和50 ~ 300 kPa的壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的線性響應(yīng)。該傳感器具備高靈敏度、快速添加/移除響應(yīng)時(shí)間以及出色的穩(wěn)定性等特性，使其成為可穿戴電子設(shè)備的理想選擇。

該離電壓力傳感器由三層構(gòu)成：（1）AgNWs/PAN納米纖維膜頂層，（2）AgNWs/PAN納米纖維膜底層，（3）PAN/IL@PAN/PAN膜介電層。電極和介電層的詳細(xì)制備工藝如圖1a所示。

圖1 全納米纖維離電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和膜形態(tài)

電容式壓力傳感器通常是由上電極、下電極以及夾在中間的介電層共同構(gòu)成。對(duì)于離電壓力傳感器，電容值很大程度上取決于離子介電層與電極之間的接觸面積。如圖2a所示，電極層和離子介電層都是由納米纖維膜組成，具有許多空隙，并且當(dāng)對(duì)傳感器施加壓力時(shí)具有高可壓縮性。

為了解決非線性傳感器靈敏度和初始電容過大的問題，研究人員重新設(shè)計(jì)了傳感器的結(jié)構(gòu)。具體來說，研究人員在離子介電層和電極層之間加入了一層間隔層。為了全面闡述該離電壓力傳感器的傳感機(jī)制，圖2b展示了簡(jiǎn)化工作流程圖和等效電路。全納米纖維離電傳感器的壓力傳感性能如圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)離電壓力傳感器與全納米纖維離電壓力傳感器的工作機(jī)制

圖3 全納米纖維離電傳感器的壓力傳感性能

由于該離電傳感器中的IL具有超高的熱敏性，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的溫度探測(cè)能力。全納米纖維離電傳感器的溫度傳感性能如圖4所示。

圖4 全納米纖維離電傳感器的溫度傳感性能

全納米纖維離電傳感器表現(xiàn)出了優(yōu)異的壓力和溫度傳感性能，使其成為可穿戴電子設(shè)備的有前景的候選者。為此，研究人員通過幾個(gè)演示實(shí)驗(yàn)來闡述其潛在應(yīng)用，應(yīng)用實(shí)例如圖5所示。

圖5 全納米纖維離電傳感器在可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用

綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種具有寬線性響應(yīng)范圍和溫度監(jiān)測(cè)能力的全納米纖維離電壓力傳感器。通過調(diào)節(jié)位于電極層與離子介電層之間的間隔膜層厚度，該離電壓力傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能，包括在0 - 50 kPa和50 - 300 kPa的寬工作范圍內(nèi)具有超高的線性靈敏度。

值得注意的是，該傳感器還具備溫度傳感能力，在低溫（20 - 40℃）、中溫（40 - 55℃）和高溫（50 - 80℃）三個(gè)區(qū)域的靈敏度分別為8.5% ℃?1、31.8% ℃?1和71.1% ℃?1，最小分辨率為0.5℃。同時(shí)，多孔納米纖維網(wǎng)絡(luò)賦予了該離電傳感器優(yōu)異的透氣性和佩戴舒適性，從而提高了器件的長(zhǎng)期可穿戴性，非常適合人體活動(dòng)監(jiān)測(cè)和醫(yī)療保健應(yīng)用。由于在壓力和溫度探測(cè)方面具有卓越性能，所提出的全納米纖維離電傳感器在可穿戴電子設(shè)備應(yīng)用方面具有巨大的潛力。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/admt.202301791

審核編輯：劉清