研究背景：

能够监测各种生理信号和身体运动的柔性压力传感器在可穿戴电子设备中引起了极大的关注。其中，在宽压力范围内的高恒定灵敏度与透气性、生物相容性和生物降解性相结合，是在实际传感应用中制造可靠压力传感器的关键。

近期，北京理工大学沈国震教授和济南大学李阳教授团队受皮肤表皮多层结构的启发，提出并展示了一种由多层梯度导电聚（ε-己内酯）纳米纤维膜复合材料组成的多属性可穿戴压阻式压力传感器。相关研究内容以“Multi-attribute wearable pressure sensor based on multilayered modulation with high constant sensitivity over a wide range”为题目，发表于期刊《Nano Research》上。

本文要点：

1、该研究提出并展示了一种由多层梯度导电聚（ε-己内酯）纳米纤维膜复合材料组成的多属性可穿戴压阻式压力传感器。

2、在外部施加压力的作用下，多层膜复合材料内部的逐层电流通路被激活，在0-80 kPa的压力范围内，具有最高的恒定灵敏度955 kPa⁻¹的传感性能。

3、该压力传感器具有响应弛缓时间快、检测限低、稳定性好等特点，可成功用于人体生理信号的测量。

4、最后，构建了一个能够定位物体位置的集成传感器阵列系统，并将其应用于模拟坐姿监测。

压力传感器的结构设计：

1、首先通过静电纺丝技术制备高孔隙率和透气性的PCL纳米纤维；

2、然后，在PCL纳米纤维上喷涂Ag 纳米线，制备导电Ag NWs/PCL NFs；

3、氧等离子体处理促进了聚苯胺的亲水性增强，使聚苯胺可以很容易地沉积在PCL的NFs上，形成具有核壳结构的导电PANI-PCL NFs 复合材料。

图1.（a）在宽范围内具有高恒定灵敏度的多属性压力传感器的结构图。（b）可穿戴压力传感器人体生理信号监测示意图。（c）压阻层的制备过程。（d）电极的制备过程。

图2.（a-c）分别为PCL NFs，Ag NWs/PCL NFs和PANI-PCL NFs的SEM图像。（d-e）分别为PCL NFs和PANI-PCL NFs的接触角和傅氏转换红外线光谱分析仪的测量图像。（f）不同导电纳米纤维膜的EIS测量。（g-h）分别是铜网和氧化铜纳米线网的SEM图像。（i）氧化铜纳米线网横截面的SEM图像。（j）铜纳米线网的SEM图像，插图为SEM图像的局部放大。（k）铜纳米线网和氧化铜纳米线网的XRD图谱。（l）PDMS、PANI-PCL NFs、压力传感器和铜纳米线网的透气性表征。

图3.所制备的单层传感器（a）、双层传感器（b）和三层传感器（c）的灵敏度。（d）压力传感器在不同外部压力下的I-V曲线响应。（e）压力传感器在不同垂直压力下的动态响应。（f）压力传感器的检测限（≈6 Pa）。（g）压力传感器的响应-恢复时间响应。（h）在≈100 Pa的垂直压力下测试2500个循环的压力传感器的稳定性。（i）传感器的运行稳定性连续测试8小时。（j）不同手指弯曲状态下的相应相对电流变化。（k）手指弯曲角度与相对电流变化之间的关系。（l）超过1000个周期的弯曲响应。

图4.（a）人体生理信号监测示意图。（b-d）信号反应分别来自腕部脉搏（≈78次/分钟）、呼吸频率（≈20次/分钟）和声带振动。（e-f）信号响应分别来自颈部和肘关节的弯曲。（g）手指按压产生的信号响应。（h）走路和跑步产生的信号响应。

图5.（a）5 × 5传感器阵列的示意图。（b-c）不同位置的三个物体的响应。（d）集成传感器阵列系统操作流程图。（e）用于坐姿监测的集成传感器阵列系统的实时响应，其中，i）和iii）是不正确的坐姿，ii）和iv）是正确的坐姿。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s12274-022-5371-6