电子织物——用于自供电湿度检测和可穿戴生物监测的传感耦合压电织物

研究背景

随着物联网和个性化医疗的兴起，化学传感器在生理监测、软体机器人、人工智能和移动治疗中已经无处不在。化学传感器的性能取决于敏感材料对目标分子的"感知"和传感器对敏感信号的"传导"。一般来说，在大多数现有的化学传感器中，感应和传导在空间和时间上都是独立的，如电容、化合物电阻、石英晶体微天平(QCMs)和表面声波(SAW)模式。就表面声波传感器而言，位于两个数字间转换器之间的敏感薄膜与下方的传导介质(例如压电晶体)发生共振，将化学吸附引起的质量变化转化为声波的频率变化。另一方面，QCM传感器由垂直堆叠的传感材料、外部电极和内部压电石英盘组成，通过传感材料对目标化学品的吸附和解吸实现纵向共振。因此，传感材料和压电传感器在空间和功能上的分离对化学传感器的进一步小型化和集成构成了巨大的挑战。此外，需要一个外部交流电源来触发声波在传感材料上的形成和传播，以进行信号传输和转导，这无疑增加了能源消耗。因此，迫切需要一种紧凑的、功能集成的、低能耗的传感方法。

研究成果

化学传感器的性能主要由通过敏感材料对目标分子的感知和通过传感器传导感知信号所决定。然而，在大多数化学传感器中，传感和传导在空间和时间上是独立的，这给器件的小型化和集成化带来了挑战。在此，电子科技大学苏元捷研究员团队联合加利福尼亚大学陈俊教授团队提出了一种传感-转导的耦合策略，通过电纺将高压电响应的Sm-PMNPT陶瓷(d33= ~1500 pC N-1)嵌入到湿敏聚醚酰亚胺(PEI) 聚合物基体中，将湿度感知和信号转导同步共轭。通过相场模拟和实验表征，揭示了传感-传导耦合压电(STP) 纺织品的组成和拓扑结构的设计原理，以调节所 制备的主动湿度传感器的识别、转换和敏感元件利用率，实现对环境湿度的高灵敏度(0.9%/RH%)和快速响应(20 s)。所制备的STP纺织品可以佩戴在人体上，实现情绪识别、运动状态监测和生理压力识别。这项工作为化学吸附相关的界面状态和能量转换效率之间的耦合机制提供了前所未有的见解，并为开发自主、多功能和高灵敏度的柔性化学传感器开辟了新的范式。相关研究以“Sensing–transducing coupled piezoelectric textiles for self-powered humidity detection and wearable biomonitoring”为题发表在Materials Horizons期刊上。

研究亮点

1. 报告了一种自主的湿度传感方法，通过将高压电响应的陶瓷填料纳入湿度敏感的聚合物基体,在外部刺激下实现化学识别和能量转化的协同作用。

2. 结合相场模拟和实验表征，揭示了复合纳米纤维的压电、介电和机械性能的结构和成分调制机制，使识别、传导和传感元件的利用率同时得到优化。

3. 实现了自供电的情绪识别、呼吸分析、运动状态监测和生理压力识别。

图文导读

Fig. 1 Structure design and characterization of the sensing–transducing coupled piezoelectric (STP) textiles.

Fig. 2 Characterization and simulations for the as-synthesized STP textiles.

Fig. 3 Mechanism of as-electrospun STP textiles for moisture detection.

Fig. 4 Sensing behaviors of the as-electrospun STP textiles for active humidity detection.

Fig. 5 Output performance of as-prepared STP textiles fabricated with various electrospinning time.

Fig. 6 Sensing application of as-prepared STP textiles.

总结与展望

作者通过将高响应的压电陶瓷嵌入到湿度敏感的聚合物基体中，开发了一种传感转换的耦合压电复合材料。湿度感知和信号转换是同步和协同的。通过结合相位场模拟和实验调查，揭示了压电纺织品的组成和拓扑调控原理，以同步优化识别、转换和敏感元件的利用率。在7%RH到97.3%RH的宽泛检测范围内，实现了0.9%/RH%的高灵敏度，并具有20 s和23 s的快速响应和恢复时间。此外，所制备的STP纺织品在情绪识别、焦虑程度评估、运动状态监测和呼吸状况识别等方面表现出卓越的能力。这项工作为化学检测的感性和转导之间的耦合机制奠定了理论和技术基础，并为设计和构建多功能软生物电子学提供了新的可能性。

总结与展望

Sensing–transducing coupled piezoelectric textiles for self-powered humidity detection and wearable biomonitoring

DOI: 10.1039/d2mh01466a

https://doi.org/10.1039/d2mh01466a

转自：“i学术i科研”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！