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南方科技大学郭传飞课题组Adv. Sci.:基于陶瓷纳

能源环保    2021-09-18 17:24

在受到生物启发的软电子产品的需求不断增长的推动下,类似皮肤的柔性传感器在生物医学领域、人机交互、软机器人等通过在人体的不同部位佩戴柔性压力传感器,获取大量的重要生理信号(例如血压,心率和眼内压)和身体运动(例如眨眼,走路, 跳动和蹲下)可以实时跟踪和分析,从而提供了一种更有效,更高效的在家中就医的方式。这种分散医疗保健服务的概念预计将彻底改变我们从集中医院获得医疗保健服务的传统方式。

 

为了确保日常活动中长期使用的健康/运动评估的准确性,一致和可靠的性能是可穿戴传感设备的先决条件。此外,由于直接接触体积大、不透气的设备可能会引起皮肤不适甚至炎症,柔性传感器为轻量化、透气型,有望成为可移动、舒适的日常佩戴。特别是,可用于恶劣环境的可穿戴传感器,包括高温/低温、高盐度、高/低湿度、和超高压的需求在不断增加。然而,目前基于硅、金刚石和陶瓷的高温传感器机械刚性强且价格昂贵,而基于聚合物的柔性传感器在复杂环境下会出现严重的性能退化甚至完全失效。因此,适应和可靠的可在恶劣条件下工作的柔性压力传感器将极大地扩展其应用领域。

 

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近日,南方科技大学郭传飞课题组制备了一种具有高结构弹性的柔性陶瓷纳米纤维网络的高度灵敏且可靠的电容式压力传感器,该传感器可将由于聚合物的粘弹性行为而在基于聚合物的传感器中通常看到的性能下降降至最低。此类陶瓷压力传感器具有高灵敏度(≈4.4kPa-1),超低检测极限(<0.8 Pa),快速响应速度(<16 ms)以及在50,000个加载/卸载循环中的低疲劳性。高稳定性归因于陶瓷纳米纤维网络的优异机械稳定性。通过使用基于纺织品的电极,演示了一种完全透气且可穿戴的陶瓷压力传感器,用于实时健康监测和运动检测。由于陶瓷的耐高温性,陶瓷纳米纤维网络传感器可以在高达370°C的温度下正常工作,这在恶劣的环境应用中显示出了广阔的前景。

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图1 陶瓷纳米纤维网络的制备和微观结构表征。a)TiO2纳米纤维网络的制备过程。b)TiO2超薄纳米纤维网络的照片。c)SEM图像,d)TEM图像(插图是相应的SAED模式),e)TiO2纳米纤维网络的XRD光谱。

 

这项工作中的TiO2纳米纤维被用作基于机电传感机制的传感体系结构的结构单元。因此,传感器的电容-压力灵敏度由压缩特性和有效介电常数的随之变化决定,这些特性对湿度,光强度和化学物质呈惰性。基于陶瓷纳米纤维网络的传感器在循环性能和恶劣的环境稳定性方面均优于聚合物同类产品,可穿戴健康监测,运动检测和在高达370°C的高温下具有可靠的压力传感性能的实例都证明了这一点。

 

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图2 基于陶瓷纳米纤维网络的柔性传感器的压力感测特性。a)基于纳米纤维网络的柔性压力传感器的示意图。b)使用厚度为25 µm的TiO2,PVA和PVDF纳米纤维网络的传感器的压力灵敏度。c)检出限和d)TiO2-10传感器的响应/松弛时间。 e)TiO2-10传感器在1 kPa压力下进行50,000次循环压缩测试。插图显示在10 000和50 000个循环中可逆的响应。f)TiO2-10传感器在6.3 mm弯曲半径下进行10,000次循环弯曲测试。插图显示了在2000和9000个循环时可逆的响应。

 

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图3 陶瓷纳米纤维网络与聚合物纳米纤维网络的压缩机械性能。 a,c,e)相同厚度的TiO2(a),PVDF(c)和PVA(e)纳米纤维网络在10%应变下的循环压缩应力-应变(σ-ε)曲线。 b,d,f)在100次压缩循环下,TiO2(b),PVDF(d)和PVA(f)纳米纤维网络在10%应变下的最大应力和应变。

 

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图4 透气和可穿戴传感器,用于生理监测和运动检测。 a)透气和可穿戴传感器的示意图。 b)涂有AgNW的导电纺织品在不同放大倍数下的SEM图像。 c)透气传感器的水蒸发实验。 d)透气和可穿戴压力传感器的照片(传感单元的尺寸:10×10 mm2)。 e–j)实时和原位人体生理监测:正常和运动条件下的radial骨搏动(e),颈动脉搏动(f),运动前后的呼吸(g),眨眼(h),声带振动 单词“ save”,“ good”和“ so”(i)以及手指弯曲(j)发音的绳索。 插图:佩戴在手腕上的可穿戴传感器的照片(e),位于颈动脉上方压力点的皮肤(f),胸部(g),眼睑(h),脖子(i)和食指的指关节( j)。

 

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图5 耐高温压力传感器。 a)耐高温传感器的设备结构示意图。 b)在丁烷火焰中燃烧的传感器的照片(温度高达≈1300°C)。 c)在370°C下测试的传感器的热图像。 d)在丁烷火焰中燃烧后,在30、370和30°C下测试的传感器的压力敏感性电容。 e,f)在不同峰值压力下的多循环压缩测试,显示在30°C(e)和370°C(f)时可逆电容变化。

 

总之,该研究通过可扩展的电纺丝工艺,提出了一种基于弹性陶瓷纳米纤维网络的高度灵敏,可靠的柔性压力传感器。由于TiO2纳米纤维的固有弹性以及高的结构连通性,陶瓷传感器在循环压缩后表现出优异的机械弹性和较小的残余应变,这在疲劳测试中具有出色的性能稳定性。此外,陶瓷纳米纤维网络显示出理想的性能,例如超轻便,出色的柔韧性,高压灵敏性和高的液体和蒸汽渗透性,可通过舒适的佩戴而持续的精确生理监测,而不会刺激皮肤。此外,该耐高温柔性压力传感器通过基于全纺织品的夹心结构设计进行了演示,该结构由碳纤维布电极和陶瓷纳米纤维介电层组成,可在高达370°C的温度下正常工作。甚至可以在丁烷火焰中幸存。 TiO2纳米纤维传感器的整体性能优于大多数透气压力传感器,这可能会促进可穿戴传感器在日常活动和极端条件下的实际应用。

 

论文链接: https://doi.org/10.1002/advs.202000258