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靜電紡絲技術(shù)在制備柔性、可拉伸的電極和傳感器方面的應用


前言:

靜電紡絲被用于制備具有特定性能和結構的納米纖維。這是一種特殊的纖維制造工藝,通過(guò)聚合物溶液或熔體在強電場(chǎng)中進(jìn)行噴射紡絲,可以生產(chǎn)出納米級直徑的聚合物細絲。這些納米纖維具有大比表面積、高孔隙率等特性,為各種應用提供了可能。

靜電紡絲技術(shù)制備的柔性、可拉伸的電極和傳感器,為可穿戴設備的性能和舒適性提供了重要的技術(shù)支持。

此外,靜電紡絲制備的纖維被應用于多個(gè)領(lǐng)域。在生物醫學(xué)領(lǐng)域,這些纖維可用于組織工程支架、藥物緩釋、生物芯片等,為疾病治療和組織修復提供了新的手段。此外,靜電紡絲纖維也在空氣過(guò)濾、水過(guò)濾、鋰離子電池隔膜等方面得到應用,展示了其在環(huán)保和能源領(lǐng)域的潛力。

 

中山大學(xué)生物醫學(xué)工程學(xué)院周建華教授/喬彥聰助理教授團隊,清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團隊在信息技術(shù)與材料交叉領(lǐng)域重要期刊《InfoMat》上發(fā)表了題為《Micromesh Reinforced Strain Sensor with High Stretchability and Stability for Full-range and Periodic Human Motions Monitoring》的研究論文。

1、摘要:

本文通過(guò)使用SEBS微米織物強化激光直寫(xiě)石墨烯(Laser-scribed graphene, LSG)片層與柔性基底之間的界面結合以及柔性基底的拉伸性能,設計了一種具有高拉伸性和穩定性的微米織物增強應變傳感器(micromesh reinforced strain sensor, MRSS)。一方面傳感器的高拉伸性滿(mǎn)足了全范圍人體運動(dòng)監測的需求,另一方面傳感器的高穩定性確保了連續采集周期性信號的一致性,結合不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法實(shí)現了多種呼吸狀態(tài)和手勢的高準確率智能識別,該工作在智能健康管理和人機交互等應用領(lǐng)域表現出巨大潛力。

 

2、研究背景:

文章提到的研究背景主要聚焦于應變傳感器的發(fā)展需求,特別是那些具有高可拉伸性和穩定性的應變傳感器。隨著(zhù)可穿戴電子設備的廣泛應用,實(shí)現其全范圍和長(cháng)期使用的目標變得至關(guān)重要。而應變傳感器作為可穿戴電子設備中的關(guān)鍵組件,其性能直接影響到設備的使用效果和壽命。

傳統的應變傳感器往往難以同時(shí)滿(mǎn)足高可拉伸性和穩定性的要求,這在一定程度上限制了可穿戴電子設備的發(fā)展和應用。因此,開(kāi)發(fā)具有高可拉伸性和穩定性的應變傳感器成為了當前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

在此背景下,文章提出了一種新型的電阻式微網(wǎng)格增強應變傳感器(MRSS),該傳感器結合了激光刻蝕石墨烯(LSG)層和兩個(gè)嵌入在Ecoflex中的苯乙烯-聚(乙烯-丁烯)-苯乙烯微網(wǎng)格層。這種獨特的結構賦予了MRSS優(yōu)異的可拉伸性、穩定性和靈敏度,使其能夠滿(mǎn)足可穿戴電子設備對高性能應變傳感器的需求。

MRSS結構示意圖

 

3、技術(shù)亮點(diǎn):

首先,文章介紹了一種具有高延展性和穩定性的電阻式微網(wǎng)增強應變傳感器(MRSS)。這種傳感器結合了激光刻蝕石墨烯(LSG)層和嵌入在Ecoflex中的兩個(gè)苯乙烯-聚(乙烯-丁烯)-苯乙烯微網(wǎng)層,形成了一種獨特的微網(wǎng)增強結構。這種結構使得MRSS具備了高延展性(達到120%的拉伸率)、出色的穩定性(在11000次循環(huán)后重復誤差僅為0.8%)以及卓越的靈敏度(在超過(guò)100%的拉伸率下,其應變系數高達2692)。

其次,文章詳細闡述了MRSS具有高延展性和穩定性的機制。這種機制主要得益于微網(wǎng)增強結構的設計,它有效地分散了應變過(guò)程中的應力,防止了裂紋的產(chǎn)生和擴展,從而提高了傳感器的耐用性和穩定性。

此外,文章還提出了一種基于LSG層結構和裂紋形態(tài)的多層有限元模型。該模型用于研究MRSS的應變傳感行為和失效機制,有助于進(jìn)一步理解和優(yōu)化傳感器的性能。

制備過(guò)程各階段樣品SEM照片


為了獲得最佳性能的傳感器,研究團隊基于不同靜電紡絲時(shí)間(1、2和3 h)制備了具有不同厚度微米織物層的傳感器(MRSS-1、MRSS-2和MRSS-3)。結果顯示,MRSS-2性能最佳,具有寬工作范圍(120%)、低檢測限(0.02%)、高靈敏度(100-120%應變范圍內GF=2692)和高穩定性(11000次拉伸循環(huán))。令人驚訝的是,傳感器在拉伸形變達到300%后人不會(huì )損壞,在工作范圍內仍能使用。此外,傳感器對于不同應變頻率的響應具有良好一致性。 

MRSSs的電機械性能。

為了探究MRSS-2高拉伸性和穩定性的機理,研究團隊設置了三種不同結構的傳感器(E[L]、SLS和ESLSE)作為對照組。傳感器的拉伸性主要取決于導電通路在大應變下是否連通,而穩定性則與導電材料與柔性基底之間的界面結合以及柔性基底拉伸性能密切相關(guān)。結果表明,微米織物的存在是MRSS-2具備高拉伸性和穩定性的主要原因,微米織物穿插在部分石墨烯片層之間,增強了導電材料與柔性基底的界面結合;Ecoflex的浸潤是次要原因,Ecoflex浸潤使得導電材料與柔性基底的界面結合得到進(jìn)一步強化,并與微米織物復合增強了柔性基底的拉伸性能。強化的界面結合一方面使得MRSS-2在大拉伸應變下產(chǎn)生了連續均勻且密集的裂紋,確保了導電通路的連通性而賦予了傳感器高拉伸性;另一方面與強化的柔性基底發(fā)揮協(xié)同作用,賦予了傳感器高穩定性。

基于傳感器的優(yōu)異性能,傳感器在人體運動(dòng)監測、智能健康管理和人機交互領(lǐng)域表現出巨大的潛力。MRSS-2優(yōu)異的拉伸性使得其能夠滿(mǎn)足全范圍人體運動(dòng)信號監測的需求。更進(jìn)一步,柔性可穿戴傳感器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法結合是未來(lái)傳感器發(fā)展的趨勢之一。算法通常根據信號特征進(jìn)行分類(lèi)識別,為了實(shí)現高分類(lèi)準確率,需確保采集的信號具有高度一致性,這與傳感器的穩定性關(guān)系密切?;趥鞲衅鞯母叻€定性,研究團隊根據信號類(lèi)型的不同選擇了兩種不同結構的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法來(lái)識別多種呼吸狀態(tài)和手勢,分類(lèi)準確率分別高達94.29%和100%。 

MRSS-2用于全范圍人體運動(dòng)監測及協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法實(shí)現多種呼吸狀態(tài)和手勢的智能識別

4、結論:

文章提到的結論是關(guān)于一種高度可拉伸且穩定的可穿戴電阻式應變傳感器的設計與表現。

該傳感器基于微網(wǎng)格增強的結構,采用電紡絲法制備的SEBS微網(wǎng)格和Ecoflex作為柔性基底,以及通過(guò)激光刻劃得到的層狀LSG作為導電材料。為了獲得最佳性能的傳感器,文章設置了三種不同電紡絲時(shí)間的傳感器進(jìn)行對比,其中MRSS-2表現最佳。

通過(guò)與不同結構的傳感器進(jìn)行比較,文章闡明了MRSS-2具有高拉伸性和穩定性的機制。激光產(chǎn)生的高溫氣化使LSG薄片膨脹并包裹微網(wǎng)格,微網(wǎng)格增強了導電材料與柔性基底之間的界面相互作用。導電通路的增強不僅使傳感器在拉伸過(guò)程中通過(guò)形成連續且均勻的裂紋實(shí)現高拉伸性,還賦予了傳感器高穩定性。Ecoflex封裝器件并與微網(wǎng)格形成復合柔性基底,進(jìn)一步提高了傳感器的拉伸性和穩定性。

綜上所述,該研究的結論在于成功設計和制備了一種基于微網(wǎng)格增強的可穿戴電阻式應變傳感器,該傳感器具有高度的拉伸性、穩定性和靈敏度,能夠應用于人體全范圍運動(dòng)的監測以及智能健康管理等領(lǐng)域。

 

中山大學(xué)生物醫學(xué)工程學(xué)院是論文第一單位,中山大學(xué)生物醫學(xué)工程學(xué)院碩士研究生劉海東是文章的第一作者,中山大學(xué)周建華教授和喬彥聰助理教授是論文的通訊作者、清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授,該研究成果得到了國家自然科學(xué)青年基金、深圳市科技計劃、深圳市優(yōu)秀科技創(chuàng )新人才培養項目、清華大學(xué)北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心開(kāi)放課題、廣東省傳感技術(shù)與生物醫學(xué)儀器重點(diǎn)實(shí)驗室的支持。

論文鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/inf2.12511

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