可穿戴技术新进展！AFM: 全纸质、柔韧、可生物降解的压力传感器

纸基柔性压力传感器具有生物可降解性，在可穿戴设备领域备受关注，以实现可持续发展的未来。然而，由于亲水性纤维素吸水后结构会迅速分解，因此要在高湿度和水下环境中具备相当的传感性能仍是一项挑战。本研究采用了一种简便的化学气相沉积法，在纤维素纤维上保形地涂上一层薄薄的疏水层，从而制成了一种具有高耐湿性的封装纸。保持良好的多孔结构保证了纸张的卓越透气性。浸渍了MXene的微凸结构传感器层用作传感层。因此，我们制造出了一种具有高耐湿性和透气性的全纸压力传感器。这种传感器的特点是传感范围广（0-60 kPa）、灵敏度可接受（39.58 kPa-1 (0-1.01 kPa)、11.95 kPa-1 (1.01-60 kPa)）、检测限低（≈2.8 Pa）、响应和恢复时间短（93和69 ms）、疏水透气性可靠、重复性好（10 000 次循环）。此外，这种传感器可以安全地佩戴在人体皮肤上，并能在不同环境（包括空气、潮湿环境甚至水下）中实时监测生理信号，为可穿戴技术提供了可靠、经济和环保的解决方案。

图文简介

a )全纸基传感器制备工艺示意图。b )传感器在空气和水下的应用

a )原纸纤维的SEM图像。b ) MTS处理后封装层的SEM图像。c )使用颜色变化法进行封装层的透气性测试。d )原纸的接触角显示其天然亲水性。e ) MTS处理后封装层的接触角显示疏水性改善。f )不同MTS添加量对封装层疏水性的影响。g )比较原纸和封装层的FTIR图谱。h )原纸和封装层的XRD图谱。i )原纸和封装层的XPS图谱。j ) S1和MXene/S1复合材料的FTIR图谱。k ) S1和MXene/S1复合材料的XRD图谱。l ) S1和MXene/S1复合材料的XPS图谱。

a )压力加载和卸载过程中的电流响应。b )不同压力载荷下的I - V曲线。c )不同压力载荷下的电流信号变化。d ) HBF-S1和HBF-S2传感器的灵敏度比较。e )响应和恢复时间。f )与其他已报道的压力传感器的灵敏度和检测范围的比较。g ) 10000 个周期内的电流变化率。h )不同压力载荷下HBF传感器和PS传感器的电阻变化。i )图解说明了传感机制。

a )手指弯曲的响应曲线。b )手指触摸的响应曲线。c )莫尔斯码识别的响应曲线。d )用于监测语音清晰度的喉头安装传感器的响应曲线。e )足部安装的HBF传感器在不同步行频率下的实时响应。f )步行后的放大脉冲响应曲线。g )步行和跑步后的脉冲响应曲线。h )跑步后的放大脉冲响应曲线。

a ) HBF传感器和基于PDMS的传感器之间的疏水性和透气性比较。b )不同封装材料的透气性评估。c )描绘HBF传感器随时间退化过程的光学图像。d )热成像结果显示HBF传感器在工作期间的散热性能。e )使用HBF、PDMS、PET和PI封装的传感器在不同磨损时间后的皮肤状况比较。

论文信息

通讯作者： Jun Xu