潘挺睿团队AM封底：如何将可穿戴压力传感器的灵敏度提高千倍？

可穿戴设备正在由科幻电影中的情节转变为街头巷尾的流行风尚，很有希望继智能手机、平板电脑之后再掀起一波浪潮。

图片来源：漫威电影《钢铁侠》

完美的可穿戴设备除了应该具有穿戴舒适、使用寿命长、轻质、多功能甚至外形炫酷等特点，更应该具有高灵敏度、抗干扰、快速响应的传感系统，只有这样才能让可穿戴器件更好地“感知”外界环境以及穿戴者的细微变化，及时响应并行使功能，满足实用需求。不过，目前传统的机械传感技术，无论是电容式、压电式或电阻式传感，都无法同时满足这些要求。

近日，美国加州大学戴维斯分校（UC Davis）潘挺睿（Tingrui Pan）教授课题组报道了一种基于弹性离子-电子界面的柔性全织物超电容可穿戴压力传感器，包括通过电纺技术利用离子材料制备的纳米纤维织物结构。这种可穿戴传感器压力检测范围广泛，灵敏度极高，可以达到114 nF kPa^-1，这比现有的任何电容式传感器的灵敏度都要高上至少1000倍，也比新近报道过的离子器件灵敏度高一个数量级。除此之外，这种可穿戴传感器压力分辨率为2.4 Pa，响应时间为4.2 ms，并且具有极好的抗干扰性和信号稳定性。该论文发表在Advanced Materials 杂志上，并被选为封底文章（back cover），第一作者是Ruya Li博士。

该期杂志封底设计。图片来源：Adv. Mater.

传统的电容传感器用于可穿戴设备时，人体的电容（几十到几百pF）不容忽视，和其他信号噪声源（通常是几十pF）一起会对测量精度和可重复性产生干扰。提高电容的信号强度是解决干扰问题的最好方法。离子材料，如离子凝胶和离子液体，由于其具有良好的柔性、可拉伸性和透明度，在柔性可穿戴传感领域具有应用潜力。离子材料中含有大量阳离子和阴离子，在和电极接触时可以在界面处形成被称为双电层（electrical double layer，EDL）的超电容层，这一特性已广泛应用于储能领域（超级电容器）。而潘教授将这种离子材料的特性运用在了压力传感器上（Lab Chip, 2012, 12, 1110; Adv. Mater., 2015, 27, 6055），开创了界面离子传感技术。

潘挺睿教授。图片来源：UC Davis

在最新的研究中，潘教授等人采用电纺技术制备离子凝胶材料的纳米纤维层，设计了具有三层结构的全织物超电容压力传感器（下图a/b/c）。在外部施加压力的条件下，离子材料纳米纤维层被压缩，导电织物与纳米纤维层界面处的接触面积发生变化，从而导致界面超电容层的电容发生改变。由此所产生的信号可被检测，从而完成压力传感过程（下图d/e/f）。

全织物超电容压力传感器结构及工作原理示意图。图片来源：Adv. Mater.

其中，研究者采用[EMIM][TFSI]作为离子材料，以含氟聚合物P(VDF-HFP)聚合物为离子凝胶材料基质。通过电纺技术，这种离子凝胶材料可以变身为纳米纤维结构，并最终形成纳米纤维膜。

离子材料的组分及电纺纳米纤维层SEM图像。图片来源：Adv. Mater.

随后，作为应用示例，研究者将该传感器应用于面膜（下图a/b/c）和手套（下图d/e/f）上，来感应面部和手部的压力。这种面膜的作用可不是为了美肤，而是预防局部长时间受压皮肤受损而导致的压疮和溃疡。在不少手术过程中，比如脊柱手术，患者在被麻醉后需长时间俯卧，面部受压，很容易导致皮肤受损。在这种面膜的帮助下，医生和麻醉师可以很方便地监控病人的面部皮肤受压情况，预防患者皮肤受损。而且这种面膜全部由织物构成，透气性良好，更不易诱发皮肤不适。该传感器也可以做成腕带，感应人体的心率、血压等参数，可用于未来的个性化健康监测。

面膜、手套及脉搏测试应用，图片来源：Adv. Mater.

另外，作者所选用的材料和制造工艺与现有的产业技术具有良好的融合性，同时兼有低成本、柔性、高灵敏度、抗干扰、快速响应等优势，可以预见这种全织物超电容压力传感器在未来的可穿戴设备、个性化医疗健康领域有着光明的应用前景。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Supercapacitive Iontronic Nanofabric Sensing

Adv. Mater., 2017, 29, 1700253, DOI: 10.1002/adma.201700253

（本文由小希供稿）