纳米纤维膜基压阻型柔性压力传感器的构建与应用

发布时间：2020-08-22 19:42

【摘要】：随着生活水平提高,人们开始更加关注身体的健康状况,可穿戴健康监测器件在这样的需求下应运而生。它凭借着高灵敏度、智能、便捷、快速等优点,吸引了人们的注意,成为柔性电子领域的研究热点。可穿戴健康监测器件可直接对人体呼吸、脉搏、心跳、血压、体温以及汗液等进行实时监测,进而反应出人们的健康状况。目前,基于柔性基底的压阻型器件是最受关注的可穿戴健康监测器件之一,该类型器件可通过检测皮肤轻微形变,反应心率、呼吸、脉搏等人体基础生理参数。静电纺丝技术制备的纳米纤维薄膜具有良好的柔性,作为压力传感材料,已被广泛用于压阻型柔性电子器件的制备。然而,静电纺丝技术与压阻原理相结合的可穿戴器件通常需要专门的封装步骤。高聚物或织物封装基底的使用,可能会影响器件柔性、透气性和舒适度。针对以上问题,本论文以生物相容性聚合物为原料,利用静电纺丝技术,制备了以静电纺丝纳米纤维膜为支撑、传感和封装层的三明治结构压阻型柔性压力传感器。具体工作如下:1.基于生物相容性聚合物的柔性纳米纤维薄膜本研究以聚乳酸(Polylactide,PLA)、丝素蛋白(Silk fibroin,SF)、胶原蛋白(Collagen,COL)为原料,通过对前驱体溶剂的种类、溶质质量分数以及纺丝接收距离进行优化,制备了生物友好的柔性纳米纤维薄膜(PLA-SF-COL膜)。扫描电子显微镜表征显示,所制备的纺丝薄膜由直径在122±28 nm的纳米纤维有序组成,纤维粗细差异较小、分布均匀。该生物相容性纳米纤维薄膜具备良好的亲肤性与柔性,在实际应用中可与皮肤表面直接贴合,可以作为柔性材料用于压力传感器的研发。2.以聚吡咯修饰纳米纤维膜为传感层的柔性压阻器件为避免非透气性柔性基底的使用,本研究拟构建以静电纺丝纳米纤维膜为基底、传感、封装层的三明治结构柔性压阻传感器。首先,通过原位合成法,在PLA-SF-COL静电纺丝纤维膜上修饰聚吡咯(Polypyrrole,PPY),形成导电柔性纳米纤维薄膜。场发射扫描电子显微镜显示PPY被成功地修饰在柔性纳米纤维薄膜上,且随着PPY浓度的改变,会有不同的表面堆积方式。通过对实验条件进行优化,得到了导电性最佳的PPY修饰纳米纤维薄膜。以PLA-SF-COL膜为衬底,在其上堆叠两层PPY修饰导电纳米纤维膜。随后,将这一多层结构固定于静电纺丝接收鼓上,通过新一轮纳米纤维薄膜制备,组装成由基底层-传感层-封装层构成的三明治结构柔性压阻器件。性能测试表明,该传感器能准确分辨手指的轻敲与轻按,具有良好的稳定性(200次按压循环响应良好)与灵敏度,可用于监测人体的脉搏、呼吸、发声等。3.以聚苯胺/聚乳酸纳米纤维膜为传感层的全静电纺丝柔性压阻器件为进一步简化纳米纤维膜基柔性压力传感器的制备过程,本研究拟在上一工作基础上,直接采用复合导电聚合物静电纺丝膜为传感层,实现全静电纺丝三明治结构柔性压阻器件的构建。首先,实现聚苯胺(Polyaniline,PANI)/聚乳酸纳米纤维膜的静电纺丝制备,并通过导电性测试优化实验条件,总结导电性PANI-PLA纳米纤维复合膜的最佳制备工艺。场发射扫描电镜显示,PANI-PLA导电纳米纤维直径在100±30 nm。通过静电纺丝技术,逐层沉积PLA-SF-COL膜、PANI-PLA导电膜、PLA-SF-COL膜,获得纳米纤维薄膜多层结构。通过裁剪,可以得到以聚苯胺/聚乳酸复合纳米纤维膜为传感层的全静电纺丝柔性压力传感器。器件性能测试结果表明,该传感器能准确区分人体脉搏的变化以及不同数目硬币堆放时压力的变化,具备较高的灵敏度和优异的稳定性(2000次按压响应仍保持稳定),可以精确地对人体的体征进行实时监测。综上所述,本论文通过静电纺丝技术制备了亲肤透气的柔性纳米纤维薄膜,并先后以PPY修饰纳米纤维膜和PANI-PLA复合静电纺丝膜为传感层,组装完成了三明治结构柔性压阻器件。与已有研究相比,本项目制备的柔性压力传感器完全以静电纺丝纳米纤维膜构建,无需使用非透气性柔性基底进行封装。器件的组装和封装过程通过静电纺丝技术一步实现,简化了器件的制备工艺。所制得的器件灵敏度高、柔韧性佳、亲肤性好、稳定性优,在人体体征信号日常监测方面极具应用潜力。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TP212.3
【图文】：

电子产品,行为信息,人体活动,手表

图 1.1 可穿戴电子产品与技术[5]起，可穿戴器件已经逐渐在医疗、娱乐、安防、商业等件的构造与应用也由最初的刚性、单一、累赘向后期的柔渡，使“可穿戴”的概念更加名副其实。其中，尤以智能手为可穿戴设备领域中发展最为成熟也是市场最热的产品手表已经逐渐进入了我们的生活中。近年来活跃起来的能监测手环等，在可靠提供人体活动和行为信息的方面

压阻,电容型,柔性,信号转换

图 1.2 柔性压力传感器按照信号转换原理分：（a）压阻型；（b）电容型；（c）压电型[24]。1）压阻型柔性压力传感器压阻型柔性压力传感器的原理是将外界作用力转化为传感材料电阻的变化，而形成力-电信号的传感转换过程（图 1.2a）。器件工作过程中传感材料界面接电阻发生变化，其变化的剧烈程度决定了传感器的灵敏度。这类传感器具有容制备、响应速度快、压力传感范围大、灵敏度高等优点，但是器件工作过程中对较高的能量损耗是其劣势。因此，在制备压阻式压力传感器时，更偏向于选具有高导电性的材料。例如 S. Gong 等就以 PDMS 为基底，使用了具备优越机性能和电气性能的金纳米线作为传感材料，制备出了平均断态电阻为91.1±52 kΩ高灵敏、快响应、稳定性持久的可穿戴式压阻传感器[26]。此外，压阻式传感器适用于较大范围内的压力测试，它不仅对于微小的压力响应灵敏，对于大的拉应变也能够进行可靠测量[24]。H. Tian 等以石墨烯为原料制备出一种柔性、测试围广、超灵敏的压阻式压力传感器，可以在 0~50KPa 的广阔范围内进行工作[27]。 K.-Y. Chun 等则制备了一种可印刷、高导电性的可拉伸柔性压力器件，器件对

柔性,器件,压力,压阻

图 1.3 柔性压力器件的应用[24]在电子应用方面，研究人员开始使用柔性电子材料制备大面积、低成本的压传感器[34, 39, 40]，其中使用有机活性材料制备的具有高灵敏度的柔性可拉伸传感阵列，在相关应用产品上得到了前所未有的关注，已经用于生产开发具备柔性触摸屏[41, 42]。诸如索尼、耐克这样的公司则推出了可以监测运动的运动手环等业化产品用于运动中的自我修正。而作为人工智能应用中典型的组件，科学家已经利用触觉传感器技术研制出了各类具有杰出感知能力，可以模拟甚至超越体皮肤感知觉的电子皮肤[43-45]。在医疗保健方面，柔性压力传感器除了可以对脉、血压、血糖和心跳等人体体征进行监测评估外[46, 47]，还可以与医疗器械结合医生能够检查体内难以触及的内部组织的健康状况[48, 49]。.3 压阻型柔性压力传感器压阻型柔性压力传感器是柔性压力传感器的一个分支。制备压阻型压力传感的原理是：在外力的作用下，传感元件的电阻会随着外力的改变而发生变化。

【参考文献】