紙基電子產品因其柔韌、可降解和低成本等優勢而備受矚目。然而，紙基傳感器在高濕度環境甚至水下環境的應用頗具挑戰。因此，從器件性能和環保方面而言，開發一種具有防水性和透氣性的全紙基傳感器仍是一項挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，近日，西北工業大學黃維院士、于海東教授團隊和寧波大學石川千助理研究員合作開發了一種全紙基壓阻式壓力傳感系統。該系統集柔韌性、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”字形和點狀表面結構的導電紙作為傳感層，以及銀漿薄膜作為互連材料。傳感層的結構設計有助于增加相鄰層在壓力作用下的接觸面積，進而提高壓力敏感性。得益于其疏水纖維結構，該壓阻式壓力傳感系統可在日常環境、潮濕以及水下環境中緊貼人體皮膚，實時監測生理信號，具備優異的透氣性和防水性。這項研究為可穿戴技術提供了一種可靠、經濟和環保的人體生理信號監測解決方案。相關研究成果已發表于npj Flexible Electronics期刊。
全紙基柔性壓阻式傳感系統的制造和應用圖示
在這項工作中，研究人員通過將帶有點狀表面結構的雙“之”字形導電紙與帶有銀漿的疏水紙疊加，成功構建了一種成本低、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）復合材料，通過在薄紙上涂覆復合溶液而成，具備大規模生產的能力。之后將傳感層折疊，在“之”字形折疊結構角度變化、表面點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出高靈敏度（線性范圍為0 ~ 0.6 kPa和0.6 ~ 60.4 kPa時，靈敏度分別為12.6 kPa?1和4.3 kPa?1）、良好的循環穩定性、低工作電壓（約0.1 V）和快速響應時間（214 ms）。由于完全采用紙質材料，該壓力傳感器是可生物降解的，能通過焚燒簡易處理，從而避免產生電子垃圾。
全紙基柔性壓阻式壓力傳感器的電學性能
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，用于監測生理信號，如腕部脈搏、喉部聲音、手指按壓、腳部行走信號以及腕部彎曲信號等。同時，它還可以應用于柔性電子皮膚以響應外部壓力及分布。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境應用，從而改善了環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、疏水性、透氣性和生物降解性等特點，這種全紙基壓阻式壓力傳感系統未來將在低成本、綠色和柔性電子領域發揮巨大的潛力。
全紙基柔性壓阻式傳感器應用于人體生理信號的實時監測
全紙基柔性壓阻式壓力傳感器在高濕度和水下環境的應用
這項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，拓寬了其應用范圍，同時推動了綠色柔性電子的進一步發展。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-023-00244-5
《可穿戴傳感器技術及市場-2022版》
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