南京大學：高靈敏度和高線性度的可拉伸應變傳感器的分層結構設計

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【南京大學：高靈敏度和高線性度的可拉伸應變傳感器的分層結構設計】

可穿戴設備可實時監(jiān)測人體的生理信號，溫度傳感能夠及時發(fā)現(xiàn)人體潛在的病變可能，預防、監(jiān)測、并跟蹤治療后的恢復進展，在醫(yī)療與健康領域具有重要意義。離子水凝膠材料具有優(yōu)異的生物相容性和人體安全性，是柔性可穿戴設備的重要材料之一，離子運動對溫度有強烈依賴性，可用于研制高性能溫度傳感器。仿生離子水凝膠傳感器為醫(yī)療保健、人工假體和醫(yī)療診斷等生物用途構建一致的信號傳輸接口，在信號監(jiān)測、人機界面等方面發(fā)揮顯著作用。然而，可穿戴器件在工作時可能會承受佩戴部位的形變或外界的力作用，因此，仍然需要發(fā)展具有韌性的、耐用的水凝膠傳感器，使柔性水凝膠可穿戴設備適應外部復雜應力環(huán)境。

南京大學的潘力佳和施毅研究團隊報道了基于聚丙烯酰胺-海藻酸鈉（PAAm-SA）離子水凝膠的柔性溫度傳感器，通過PAAm-SA雙交聯(lián)網(wǎng)絡使水凝膠材料具有高的韌性。研究了離子水凝膠中影響離子遷移率的因素，如離子尺寸、溫度、電壓等。PAAm-SA水凝膠以離子導電為主，研究發(fā)現(xiàn)水凝膠中的離子活化能與離子尺寸有關，離子直徑越大，活化能越大，離子導電性對溫度的依賴性越大。并基于離子遷移對溫度的依賴性制備了溫度傳感器。實現(xiàn)了低回滯、高魯棒性的溫敏特性。

離子導電性

溫度傳感與可穿戴應用

該團隊采用了紫外共聚法制備離子溫度傳感器，水凝膠器件得到了完好的封裝，極大地減少了水凝膠脫水對溫度響應的影響，增大溫度響應范圍（22-100℃），快速的溫度響應速度（響應40℃僅需2.02秒），同時使得傳感器具有較低的回滯（~2.93%）及對外加應力較高的魯棒性，承受2000次循環(huán)壓縮后對 溫度的響應幾乎沒有衰減。

研究者制備了0.15mm-1分辨率的溫度傳感器陣列，實現(xiàn)了對小區(qū)域內(nèi)溫度分布的識別。通過微納加工工藝制備了5×5溫度傳感器陣列，薄的聚對苯封裝層設計讓溫度能快速傳導到器件，并在器件陣列引入了微氣隙結構，利用不同材料的導熱率差異（水有較高的熱導率而空氣則較低），有效降低了傳感器像素之間的熱串擾，增強了溫度分布檢測的準確性，從而能夠識別手指指尖的溫度分布，并勾勒出手腕處血管路徑的形狀。該團隊將該水凝膠溫度傳感器用于可穿戴設備的應用，有效檢測了人體不同部位的溫度，并能夠實時監(jiān)測人體的呼吸。

該團隊報道的基于雙交聯(lián)水凝膠的柔性溫度傳感器及其陣列，為離子聚合物傳感器的可穿戴產(chǎn)品提供了新策略。

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