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静电纺丝技术在制备柔性、可拉伸的电极和传感器方面的应用


前言:

静电纺丝被用于制备具有特定性能和结构的纳米纤维。这是一种特殊的纤维制造工艺,通过聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝,可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。这些纳米纤维具有大比表面积、高孔隙率等特性,为各种应用提供了可能。

静电纺丝技术制备的柔性、可拉伸的电极和传感器,为可穿戴设备的性能和舒适性提供了重要的技术支持。

此外,静电纺丝制备的纤维被应用于多个领域。在生物医学领域,这些纤维可用于组织工程支架、药物缓释、生物芯片等,为疾病治疗和组织修复提供了新的手段。此外,静电纺丝纤维也在空气过滤、水过滤、锂离子电池隔膜等方面得到应用,展示了其在环保和能源领域的潜力。

 

中山大学生物医学工程学院周建华教授/乔彦聪助理教授团队,清华大学集成电路学院任天令教授团队在信息技术与材料交叉领域重要期刊《InfoMat》上发表了题为《Micromesh Reinforced Strain Sensor with High Stretchability and Stability for Full-range and Periodic Human Motions Monitoring》的研究论文。

1、摘要:

本文通过使用SEBS微米织物强化激光直写石墨烯(Laser-scribed graphene, LSG)片层与柔性基底之间的界面结合以及柔性基底的拉伸性能,设计了一种具有高拉伸性和稳定性的微米织物增强应变传感器(micromesh reinforced strain sensor, MRSS)。一方面传感器的高拉伸性满足了全范围人体运动监测的需求,另一方面传感器的高稳定性确保了连续采集周期性信号的一致性,结合不同神经网络算法实现了多种呼吸状态和手势的高准确率智能识别,该工作在智能健康管理和人机交互等应用领域表现出巨大潜力。

 

2、研究背景:

文章提到的研究背景主要聚焦于应变传感器的发展需求,特别是那些具有高可拉伸性和稳定性的应变传感器。随着可穿戴电子设备的广泛应用,实现其全范围和长期使用的目标变得至关重要。而应变传感器作为可穿戴电子设备中的关键组件,其性能直接影响到设备的使用效果和寿命。

传统的应变传感器往往难以同时满足高可拉伸性和稳定性的要求,这在一定程度上限制了可穿戴电子设备的发展和应用。因此,开发具有高可拉伸性和稳定性的应变传感器成为了当前研究的热点和难点。

在此背景下,文章提出了一种新型的电阻式微网格增强应变传感器(MRSS),该传感器结合了激光刻蚀石墨烯(LSG)层和两个嵌入在Ecoflex中的苯乙烯-聚(乙烯-丁烯)-苯乙烯微网格层。这种独特的结构赋予了MRSS优异的可拉伸性、稳定性和灵敏度,使其能够满足可穿戴电子设备对高性能应变传感器的需求。

MRSS结构示意图

 

3、技术亮点:

首先,文章介绍了一种具有高延展性和稳定性的电阻式微网增强应变传感器(MRSS)。这种传感器结合了激光刻蚀石墨烯(LSG)层和嵌入在Ecoflex中的两个苯乙烯-聚(乙烯-丁烯)-苯乙烯微网层,形成了一种独特的微网增强结构。这种结构使得MRSS具备了高延展性(达到120%的拉伸率)、出色的稳定性(在11000次循环后重复误差仅为0.8%)以及卓越的灵敏度(在超过100%的拉伸率下,其应变系数高达2692)。

其次,文章详细阐述了MRSS具有高延展性和稳定性的机制。这种机制主要得益于微网增强结构的设计,它有效地分散了应变过程中的应力,防止了裂纹的产生和扩展,从而提高了传感器的耐用性和稳定性。

此外,文章还提出了一种基于LSG层结构和裂纹形态的多层有限元模型。该模型用于研究MRSS的应变传感行为和失效机制,有助于进一步理解和优化传感器的性能。

制备过程各阶段样品SEM照片


为了获得最佳性能的传感器,研究团队基于不同静电纺丝时间(1、2和3 h)制备了具有不同厚度微米织物层的传感器(MRSS-1、MRSS-2和MRSS-3)。结果显示,MRSS-2性能最佳,具有宽工作范围(120%)、低检测限(0.02%)、高灵敏度(100-120%应变范围内GF=2692)和高稳定性(11000次拉伸循环)。令人惊讶的是,传感器在拉伸形变达到300%后人不会损坏,在工作范围内仍能使用。此外,传感器对于不同应变频率的响应具有良好一致性。 

MRSSs的电机械性能。

为了探究MRSS-2高拉伸性和稳定性的机理,研究团队设置了三种不同结构的传感器(E[L]、SLS和ESLSE)作为对照组。传感器的拉伸性主要取决于导电通路在大应变下是否连通,而稳定性则与导电材料与柔性基底之间的界面结合以及柔性基底拉伸性能密切相关。结果表明,微米织物的存在是MRSS-2具备高拉伸性和稳定性的主要原因,微米织物穿插在部分石墨烯片层之间,增强了导电材料与柔性基底的界面结合;Ecoflex的浸润是次要原因,Ecoflex浸润使得导电材料与柔性基底的界面结合得到进一步强化,并与微米织物复合增强了柔性基底的拉伸性能。强化的界面结合一方面使得MRSS-2在大拉伸应变下产生了连续均匀且密集的裂纹,确保了导电通路的连通性而赋予了传感器高拉伸性;另一方面与强化的柔性基底发挥协同作用,赋予了传感器高稳定性。

基于传感器的优异性能,传感器在人体运动监测、智能健康管理和人机交互领域表现出巨大的潜力。MRSS-2优异的拉伸性使得其能够满足全范围人体运动信号监测的需求。更进一步,柔性可穿戴传感器与神经网络算法结合是未来传感器发展的趋势之一。算法通常根据信号特征进行分类识别,为了实现高分类准确率,需确保采集的信号具有高度一致性,这与传感器的稳定性关系密切。基于传感器的高稳定性,研究团队根据信号类型的不同选择了两种不同结构的神经网络算法来识别多种呼吸状态和手势,分类准确率分别高达94.29%和100%。 

MRSS-2用于全范围人体运动监测及协同神经网络算法实现多种呼吸状态和手势的智能识别

4、结论:

文章提到的结论是关于一种高度可拉伸且稳定的可穿戴电阻式应变传感器的设计与表现。

该传感器基于微网格增强的结构,采用电纺丝法制备的SEBS微网格和Ecoflex作为柔性基底,以及通过激光刻划得到的层状LSG作为导电材料。为了获得最佳性能的传感器,文章设置了三种不同电纺丝时间的传感器进行对比,其中MRSS-2表现最佳。

通过与不同结构的传感器进行比较,文章阐明了MRSS-2具有高拉伸性和稳定性的机制。激光产生的高温气化使LSG薄片膨胀并包裹微网格,微网格增强了导电材料与柔性基底之间的界面相互作用。导电通路的增强不仅使传感器在拉伸过程中通过形成连续且均匀的裂纹实现高拉伸性,还赋予了传感器高稳定性。Ecoflex封装器件并与微网格形成复合柔性基底,进一步提高了传感器的拉伸性和稳定性。

综上所述,该研究的结论在于成功设计和制备了一种基于微网格增强的可穿戴电阻式应变传感器,该传感器具有高度的拉伸性、稳定性和灵敏度,能够应用于人体全范围运动的监测以及智能健康管理等领域。

 

中山大学生物医学工程学院是论文第一单位,中山大学生物医学工程学院硕士研究生刘海东是文章的第一作者,中山大学周建华教授和乔彦聪助理教授是论文的通讯作者、清华大学集成电路学院任天令教授,该研究成果得到了国家自然科学青年基金、深圳市科技计划、深圳市优秀科技创新人才培养项目、清华大学北京信息科学与技术国家研究中心开放课题、广东省传感技术与生物医学仪器重点实验室的支持。

论文链接

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

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