清华大学Adv. Funct. Mater.：用碳化丝纳米纤维薄膜制备电子皮肤

【引言】

近年来，电子皮肤因其较高的压力敏感性取得了很好地发展。但至今为止，已经报道的电子皮肤压力传感器大部分是基于纳米材料和微结构聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，由于这些材料的生物毒性和一些冗杂的制备步骤，限制了其广泛应用。因此，目前迫切需要一种价格便宜、可大量制备的且制备过程具有生物相容性的类皮肤压力传感器的制备方法。而蚕丝蛋白（SF）作为一种天然蛋白质用来作为柔性电子材料的衬底越来越受到人们重视。

【成果简介】

近日，清华大学的张莹莹副教授（通讯作者）等人采用碳化丝纳米纤维膜（CSilkNM）作为活性材料，以PDMS薄膜作为柔性衬底制备了类皮肤压力传感器。他们通过对蚕丝进行静电纺丝和碳化工艺制备透明超薄的CSilkNM，然后与平面PDMS薄膜集成为柔性传感器。这种CSilkNM压力传感器表现出了优越的性能与优点：具有超高灵敏度（34.47 kPa⁻¹）、较低探测范围下限（0.8Pa）、反应时间短（<16.7 ms）、持久性强（>10000圈），并且具有很好的柔韧性，可以低成本、大规模制备。可以预见，其将在下一代可穿戴式电子产品有许多潜在的应用。该文章发表在Adv. Funct. Mater.，题为Carbonized Silk Nanofiber Membrane for Transparent and Sensitive Electronic Skin。

【图文导读】

图1. CSilkNM压力传感器的制备过程和结构

（a）CSilkNM压力传感器的制备过程

（b）和（c）获得的传感器材料的透明度和柔韧性展示图片

（d）蚕丝纳米纤维薄膜的光学照片，标尺：100 µm

（e）CSilkNM的SEM图片，标尺：1µm

图2.天然蚕丝和碳化后蚕丝图片

（a）天然蚕丝的结构图，其中β层在加热条件下可以转化成芳香族多碳环结构。

（b）CSilkNM的高分辨率TEM图片，标尺：5nm

（c）和（d）SilkNM和CSilkNM的拉曼光谱和高分辨率的XPS图谱

图3. CsilkNM压力传感器的灵敏性和透明度以及CsilkNM的各种形态

（a）不同CSilkNM压力传感器在压力变化下的相关电流变化。其中虚线是对每个压力传感器灵敏度的线性回归

（b）CSilkNM对紫外光的吸收图谱，小插图表示随着静电纺丝时间的增加其透过率线型降低

（c-f）不同纺丝时间下的CSilkNM的SEM图片

图4. 压力传感器的稳定性和反应时间测试

（a）压力传感器在不同的压力下的I-V曲线

（b）压力传感器在2.5 kPa压力下的以0.5Hz频率下经过超过10000次循环装卸后的稳定性测试，插图表示在分别经过1000和9000次循环后在进行50次循环测试的结果

（c）在压力范围为10Pa-5kPa的不同压力作用下，传感器的多周期压力反应图

（d）传感器在高频率压力作用下的反应图，右侧表示传感器的反应速度在16.6 ms以内

图5.在人体的实时原位监测和假肢接触模拟

（a）（c）分别为正常和运动后的动脉脉搏波、呼吸谱。插图分别表示传感器贴附在手腕和胸膛处

（b）从（a）图中提取出的单一信号图形

（d）颈静脉压力测量，其中插图表示表示其传感器图片和单信号的放大图

（e）传感器穿戴者说出 “wearable”、“sensor”、“change”和“world”四个单词时传感器对声信号的识别图谱，其中每个单词会会说两次，其中插图表示相应图片

（f）将传感器贴在指尖，用不同的压力摘葡萄，传感器的反应波形。这表示人类可以在传感器的帮助下利用假肢拿东西

图6.压力传感器矩阵模型及其压力空间分布图谱

（a）9×9像素集成型CSilkNM传感器阵列的模型原理图

（b）像素传感器阵列对各种轻重量物体检测图谱

【总结】

张莹莹副教授团队制备的这类传感器因具有超高灵敏度（34.47 kPa⁻¹）、较低探测范围下限（0.8Pa）、反应时间短（<16.7 ms）、持久性强（>10000圈）等优异性能。基于这些优良的性能和对人体的紧密贴合特性，该传感器可以对人类的桡动脉脉搏、呼吸、颈静脉脉冲和声带震动等信号进行实时监测，有望实现帮助失去触觉的朋友获得对物体的感知能力。

文献链接：Carbonized Silk Nanofiber Membrane for Transparent and Sensitive Electronic Skin（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201605657）

本文由材料人电子电工学术组王婵供稿，材料牛整理编辑。

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