紙基電子產(chǎn)品因其柔韌、可降解和低成本等優(yōu)勢而備受矚目。然而，紙基傳感器在高濕度環(huán)境甚至水下環(huán)境的應(yīng)用頗具挑戰(zhàn)。因此，從器件性能和環(huán)保方面而言，開發(fā)一種具有防水性和透氣性的全紙基傳感器仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、于海東教授團(tuán)隊(duì)和寧波大學(xué)石川千助理研究員合作開發(fā)了一種全紙基壓阻式壓力傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)集柔韌性、防水性、透氣性和生物相容性于一體，以疏水紙作為襯底和封裝層，采用具有雙“之”字形和點(diǎn)狀表面結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電紙作為傳感層，以及銀漿薄膜作為互連材料。

傳感層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于增加相鄰層在壓力作用下的接觸面積，進(jìn)而提高壓力敏感性。得益于其疏水纖維結(jié)構(gòu)，該壓阻式壓力傳感系統(tǒng)可在日常環(huán)境、潮濕以及水下環(huán)境中緊貼人體皮膚，實(shí)時(shí)監(jiān)測生理信號(hào)，具備優(yōu)異的透氣性和防水性。這項(xiàng)研究為可穿戴技術(shù)提供了一種可靠、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的人體生理信號(hào)監(jiān)測解決方案。相關(guān)研究成果已發(fā)表于npj Flexible Electronics期刊。

全紙基柔性壓阻式傳感系統(tǒng)的制造和應(yīng)用圖示

在這項(xiàng)工作中，研究人員通過將帶有點(diǎn)狀表面結(jié)構(gòu)的雙“之”字形導(dǎo)電紙與帶有銀漿的疏水紙疊加，成功構(gòu)建了一種成本低、工藝簡單、制備快速的全紙基柔性壓阻式壓力傳感器。傳感層基于石墨烯/單壁碳納米管（SWNTs）復(fù)合材料，通過在薄紙上涂覆復(fù)合溶液而成，具備大規(guī)模生產(chǎn)的能力。之后將傳感層折疊，在“之”字形折疊結(jié)構(gòu)角度變化、表面點(diǎn)之間相互擠壓以及纖維間隙減小的共同作用下，簡易地制成了具有高靈敏度的壓阻式壓力傳感器。

該壓阻式壓力傳感器展現(xiàn)出高靈敏度（線性范圍為0 ~ 0.6 kPa和0.6 ~ 60.4 kPa時(shí)，靈敏度分別為12.6 kPa?1和4.3 kPa?1）、良好的循環(huán)穩(wěn)定性、低工作電壓（約0.1 V）和快速響應(yīng)時(shí)間（214 ms）。由于完全采用紙質(zhì)材料，該壓力傳感器是可生物降解的，能通過焚燒簡易處理，從而避免產(chǎn)生電子垃圾。

全紙基柔性壓阻式壓力傳感器的電學(xué)性能

全紙基柔性壓阻式壓力傳感器的疏水和透氣性能

得益于封裝層良好的透氣性和防水性，該壓力傳感器可以佩戴在人體皮膚上，用于監(jiān)測生理信號(hào)，如腕部脈搏、喉部聲音、手指按壓、腳部行走信號(hào)以及腕部彎曲信號(hào)等。同時(shí)，它還可以應(yīng)用于柔性電子皮膚以響應(yīng)外部壓力及分布。此外，由于其良好的疏水性，該壓力傳感器還可以在潮濕或水下環(huán)境應(yīng)用，從而改善了環(huán)境濕度對傳感器性能的影響。

由于其高靈敏度、低工作電壓、快速響應(yīng)、疏水性、透氣性和生物降解性等特點(diǎn)，這種全紙基壓阻式壓力傳感系統(tǒng)未來將在低成本、綠色和柔性電子領(lǐng)域發(fā)揮巨大的潛力。

全紙基柔性壓阻式傳感器應(yīng)用于人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測

全紙基柔性壓阻式壓力傳感器在高濕度和水下環(huán)境的應(yīng)用

這項(xiàng)研究工作為制造低成本、易于使用的紙基疏水傳感器奠定了基礎(chǔ)，拓寬了其應(yīng)用范圍，同時(shí)推動(dòng)了綠色柔性電子的進(jìn)一步發(fā)展。

審核編輯：劉清