具有實用功能的可穿戴多功能傳感器對于電子皮膚（e-skin）、健康監測、人機交互等諸多領域的應用具有重要意義。
據麥姆斯咨詢報道，近日，青島大學的科研團隊在Advanced Materials Technologies期刊上發表了以“All-Nanofiber Iontronic Sensor with Multiple Sensory Capabilities for Wearable Electronics”為主題的文章。該論文的第一作者為Sai Wang，通訊作者為韓文鵬和龍云澤教授。這項研究利用靜電紡絲技術制備了一種具有壓力和溫度雙重監測功能的全納米纖維柔性離電傳感器。該傳感器的離子介電層是通過靜電紡絲離子液體（IL）與聚丙烯腈（PAN）的混合物而制成的。
值得注意的是，研究人員在離子介電層與電極層之間集成了一層間隔膜，從而形成了三明治結構的介電結構。通過調節間隔膜的厚度，上述科研團隊實現了對雙電層（EDL）電容形成過程的控制。該離電壓力傳感器在0 ~ 50 kPa和50 ~ 300 kPa的壓力范圍內表現出優異的線性響應。該傳感器具備高靈敏度、快速添加/移除響應時間以及出色的穩定性等特性，使其成為可穿戴電子設備的理想選擇。
該離電壓力傳感器由三層構成：（1）AgNWs/PAN納米纖維膜頂層，（2）AgNWs/PAN納米纖維膜底層，（3）PAN/IL@PAN/PAN膜介電層。電極和介電層的詳細制備工藝如圖1a所示。
圖1 全納米纖維離電傳感器的結構設計和膜形態
電容式壓力傳感器通常是由上電極、下電極以及夾在中間的介電層共同構成。對于離電壓力傳感器，電容值很大程度上取決于離子介電層與電極之間的接觸面積。如圖2a所示，電極層和離子介電層都是由納米纖維膜組成，具有許多空隙，并且當對傳感器施加壓力時具有高可壓縮性。為了解決非線性傳感器靈敏度和初始電容過大的問題，研究人員重新設計了傳感器的結構。具體來說，研究人員在離子介電層和電極層之間加入了一層間隔層。為了全面闡述該離電壓力傳感器的傳感機制，圖2b展示了簡化工作流程圖和等效電路。全納米纖維離電傳感器的壓力傳感性能如圖3所示。
圖2 傳統離電壓力傳感器與全納米纖維離電壓力傳感器的工作機制
圖3 全納米纖維離電傳感器的壓力傳感性能
由于該離電傳感器中的IL具有超高的熱敏性，從而表現出優異的溫度探測能力。全納米纖維離電傳感器的溫度傳感性能如圖4所示。
圖4 全納米纖維離電傳感器的溫度傳感性能
全納米纖維離電傳感器表現出了優異的壓力和溫度傳感性能，使其成為可穿戴電子設備的有前景的候選者。為此，研究人員通過幾個演示實驗來闡述其潛在應用，應用實例如圖5所示。
圖5 全納米纖維離電傳感器在可穿戴電子設備中的應用
綜上所述，這項研究提出了一種具有寬線性響應范圍和溫度監測能力的全納米纖維離電壓力傳感器。通過調節位于電極層與離子介電層之間的間隔膜層厚度，該離電壓力傳感器表現出優異的電學性能，包括在0 - 50 kPa和50 - 300 kPa的寬工作范圍內具有超高的線性靈敏度。值得注意的是，該傳感器還具備溫度傳感能力，在低溫（20 - 40℃）、中溫（40 - 55℃）和高溫（50 - 80℃）三個區域的靈敏度分別為8.5% ℃?1、31.8% ℃?1和71.1% ℃?1，最小分辨率為0.5℃。同時，多孔納米纖維網絡賦予了該離電傳感器優異的透氣性和佩戴舒適性，從而提高了器件的長期可穿戴性，非常適合人體活動監測和醫療保健應用。由于在壓力和溫度探測方面具有卓越性能，所提出的全納米纖維離電傳感器在可穿戴電子設備應用方面具有巨大的潛力。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/admt.202301791
