可同时探测压力和温度的全纳米纤维离电传感器，助力可穿戴电子设备
2024-03-08 21:30:46 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究利用静电纺丝技术制备了一种具有压力和温度双重监测功能的全纳米纤维柔性离电传感器。该传感器的离子介电层是通过静电纺丝离子液体（IL）与聚丙烯腈（PAN）的混合物而制成的。
具有实用功能的可穿戴多功能传感器对于电子皮肤（e-skin）、健康监测、人机交互等诸多领域的应用具有重要意义。
据麦姆斯咨询报道，近日，青岛大学的科研团队在Advanced Materials Technologies期刊上发表了以“All-Nanofiber Iontronic Sensor with Multiple Sensory Capabilities for Wearable Electronics”为主题的文章。该论文的第一作者为Sai Wang，通讯作者为韩文鹏和龙云泽教授。这项研究利用静电纺丝技术制备了一种具有压力和温度双重监测功能的全纳米纤维柔性离电传感器。该传感器的离子介电层是通过静电纺丝离子液体（IL）与聚丙烯腈（PAN）的混合物而制成的。
值得注意的是，研究人员在离子介电层与电极层之间集成了一层间隔膜，从而形成了三明治结构的介电结构。通过调节间隔膜的厚度，上述科研团队实现了对双电层（EDL）电容形成过程的控制。该离电压力传感器在0 ~ 50 kPa和50 ~ 300 kPa的压力范围内表现出优异的线性响应。该传感器具备高灵敏度、快速添加/移除响应时间以及出色的稳定性等特性，使其成为可穿戴电子设备的理想选择。
该离电压力传感器由三层构成：（1）AgNWs/PAN纳米纤维膜顶层，（2）AgNWs/PAN纳米纤维膜底层，（3）PAN/IL@PAN/PAN膜介电层。电极和介电层的详细制备工艺如图1a所示。
图1 全纳米纤维离电传感器的结构设计和膜形态
电容式压力传感器通常是由上电极、下电极以及夹在中间的介电层共同构成。对于离电压力传感器，电容值很大程度上取决于离子介电层与电极之间的接触面积。如图2a所示，电极层和离子介电层都是由纳米纤维膜组成，具有许多空隙，并且当对传感器施加压力时具有高可压缩性。为了解决非线性传感器灵敏度和初始电容过大的问题，研究人员重新设计了传感器的结构。具体来说，研究人员在离子介电层和电极层之间加入了一层间隔层。为了全面阐述该离电压力传感器的传感机制，图2b展示了简化工作流程图和等效电路。全纳米纤维离电传感器的压力传感性能如图3所示。
图2 传统离电压力传感器与全纳米纤维离电压力传感器的工作机制
图3 全纳米纤维离电传感器的压力传感性能
由于该离电传感器中的IL具有超高的热敏性，从而表现出优异的温度探测能力。全纳米纤维离电传感器的温度传感性能如图4所示。
图4 全纳米纤维离电传感器的温度传感性能
全纳米纤维离电传感器表现出了优异的压力和温度传感性能，使其成为可穿戴电子设备的有前景的候选者。为此，研究人员通过几个演示实验来阐述其潜在应用，应用实例如图5所示。
图5 全纳米纤维离电传感器在可穿戴电子设备中的应用
综上所述，这项研究提出了一种具有宽线性响应范围和温度监测能力的全纳米纤维离电压力传感器。通过调节位于电极层与离子介电层之间的间隔膜层厚度，该离电压力传感器表现出优异的电学性能，包括在0 - 50 kPa和50 - 300 kPa的宽工作范围内具有超高的线性灵敏度。值得注意的是，该传感器还具备温度传感能力，在低温（20 - 40℃）、中温（40 - 55℃）和高温（50 - 80℃）三个区域的灵敏度分别为8.5% ℃⁻¹、31.8% ℃⁻¹和71.1% ℃⁻¹，最小分辨率为0.5℃。同时，多孔纳米纤维网络赋予了该离电传感器优异的透气性和佩戴舒适性，从而提高了器件的长期可穿戴性，非常适合人体活动监测和医疗保健应用。由于在压力和温度探测方面具有卓越性能，所提出的全纳米纤维离电传感器在可穿戴电子设备应用方面具有巨大的潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202301791
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