纳米能源所潘曹峰课题组 AMT：基于类皮肤3D纤维交织结构的高灵敏宽响应可穿戴压力传感器

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北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员及鲍容容副研究员通过叉指微电极与纳米纤维薄膜相结合设计并构筑了一种结构简单的可穿戴高性能压力传感器，实现了高灵敏宽响应可穿戴压力传感。

近年来，因为可穿戴电子器件领域的快速发展，对穿着舒适性高、透气性好的柔性触觉传感器的需求日益提高。目前常见的柔性压力传感器多以织物或者聚合物作为载体，其体积较大，共形性差，传感性能低，应用于健康监测或人机界面时仍然不够便捷高效。为了实现可穿戴器件与人体皮肤优异的共型性和长期佩戴的舒适性，北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员及鲍容容副研究员通过叉指微电极与纳米纤维薄膜相结合设计并构筑了一种结构简单的可穿戴高性能压力传感器，器件结构如图所示。其中，灵敏层的骨架为通过气体纺丝技术获得的PAN纳米纤维薄膜，具有较大的孔隙率和比表面积；灵敏层的活性填料为通过水热法刻蚀获得的新型二维材料MXene，其形貌呈手风琴状多层结构。
该器件对压力的响应分为两个线性区域，在0.83 kPa到38.13 kPa的范围内，其灵敏度高达81.89 kPa^-1，相比于近年来的相关报道展示出了很大的优势，如图b所示。其高性能主要来源于灵敏层中不同尺度微观结构的协同作用。MXene的层间距比一般活性填料的埃量级层间距大几到十倍，提高了其在二维平面空间达到变形极限的范围。PAN纳米纺丝薄膜由于气纺工艺接收板的气孔设计，使薄膜呈现出规则排列的圆柱体结构，扩大了纤维受压时的变形维度。因此，通过对微观结构应力水平的优化调节了器件的可压缩性，通过在灵敏层中引入空隙使其在给定压力下更容易变形，进而提升传感能力。另外，该器件的共型性如图c所示，其可在无任何粘结剂的条件下与皮肤实现紧密贴附。
基于器件的简单结构和可扩展特性，通过电极的图案化进行了阵列化集成，并于后端电路系统相结合，开发了一种柔性可穿戴布莱叶盲文键盘，如图d所示。根据布莱叶盲文规则，通过6个区域的排列组合可表达26种字符，并且通过压力的大小可区分字符的大小写模式。该阵列器件与实时显示设备之间可以进行数据的无线传输。
该工作利用材料微几何工程结构间的协同作用，提出了灵敏层微结构的新型设计策略，压力传感能力得到了极大提升。并且，器件结构简单，轻薄透气，可与人体皮肤实现优异的共型。另外，器件具有可扩展性，适用于大规模阵列化制备以及与后端电路系统的集成。相关论文已在线发表在Advanced Materials Technologys上。

论文信息：

Highly Sensitive Wearable Pressure Sensor Over a Wide Sensing Range Enabled by the Skin Surface-Like 3D Patterned Interwoven Structure

Yue Liu, Huayu Xu, Ming Dong, Renhou Han, Juan Tao, Rongrong Bao,* and Caofeng Pan*

Advanced Materials Technologys

https://doi.org/10.1002/admt.202200504

来源：AdvancedScienceNews

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