中科院北京納米能源所：全納米纖維柔性電容式壓力感測器印刷成功

【背景介紹】

近年來，可穿戴的柔性壓力感測器已經成為電子皮膚的重要研究方向，其在人工皮膚、智能機器人以及人體生理信號監測方面具有巨大的應用前景。大多報道的電容式柔性壓力感測器都是基於光刻和蒸鍍工藝，這些工藝複雜，設備昂貴且涉及高溫處理過程。同時，基於旋塗工藝獲得的基底和帶微結構的介電層都是不透氣的，如果長時間的貼附皮膚或者身體，可能會引起皮膚的發炎或者瘙癢等癥狀。

納米纖維膜擁有多孔的結構，其表面由納米級的纖維構成，它比紙張更加的輕質和光滑，而且有些納米纖維是有彈性的，這些特徵使得其非常適合透氣的柔性印刷壓力感測器的構築。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所李從舉研究員、王中林院士和胥偉華研究員指導下，基於靜電紡絲工藝以及絲網印刷工藝，碩士生楊威、趙樹宇以及助理研究員李念武設計了可印刷的全納米纖維基的透氣型柔性電容式壓力感測器，該感測器的構築工藝簡單且易於操作，可低成本大面積的獲取。該透氣的壓力感測器由聚偏氟乙烯納米纖維（PVDFNM）、銀納米線（AgNWs）、熱塑性聚氨酯納米纖維（TPUNM）組成。基於納米纖維以及銀納米線的多孔網路結構，感測器表現出優良的透氣性。同時，具有疏水性的PVDFNM表面的納米級空隙可以具有很好的阻止水滴的通過。因此，該感測器表現出了皮膚的兩個基本性質-疏水性和透氣性。研究人員以TPU納米纖維的多孔結構來引入空氣間隙，製備了具有高靈敏度（4.2 kPa-1）、快速的響應時間（

【圖文導讀】

圖1 透氣的電容式柔性壓力感測器的結構和功能 （a） 基於納米纖維膜的壓力感測器的結構 （b-d） PVDFNM、AgNWs/PVDFNM以及TPUNM的SEM圖片 （e） 感測器的類皮膚功能

圖2 透氣的電容式柔性壓力感測器的構建工藝及流程 （a-c）通過靜電紡絲和絲網印刷工藝構建透氣的AgNWs/PVDFNM電極 （a，b，d）通過靜電紡絲工藝構建透氣的TPU介電層 （e，f）通過超聲波焊接工藝組裝感測器

圖3 感測器的性能 （a）不同紡絲時間的感測器性能對比 （b）感測器在5.5 kPa壓力下的響應時間 （c）本工作中的感測器靈敏度和檢測極限與已報道文獻的對比 （d）感測器的透氣性的Gurley value

圖4 感測器的應用 （a，b）用於人體呼吸監測 （c，d）用於人體心率監測

圖5 印刷集成1010感測器陣列 （a）電路裝置 （b-i）用於不同物體的形狀檢測

文獻鏈接：A Breathable and Screen-Printed Pressure Sensor Based on Nanofiber Membranes for Electronic Skins （Advanced materials Technologies, 2018, DOI:10.1002/admt.201700241）

本文由納米智能紡織實驗室供稿。

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