研发一种抗拉伸干扰的高灵敏度柔性压力传感织物

近年来随着柔性电子技术的快速发展，用于监测人体运动的柔性可穿戴传感器件引起了学术界和工业界的广泛关注。其中，柔性压力传感器在监测生理健康信号（如脉搏、血压、呼吸等）方面发挥着重要作用。基于织物的压力传感器由于具有出色的柔韧性和透气性，已成为智能可穿戴电子产品发展的理想选择。然而，目前大多数织物基压力传感器难以在应变干扰的情况下准确监测压力信号，这限制了它们的进一步应用。 近日，北京服装学院汪滨副教授、张秀芹教授团队针对上述问题，制备了一种共轭电纺核-壳导电纳米纤维纱线，并将其编织成具有独特针织罗纹结构的传感织物。核-壳结构纱线的设计有效提高了压力传感灵敏度，且独特的编织互锁结构为导电路径留下了伸展空间（抗拉伸）。两者的协同效应使传感器对压力高度敏感但对拉力不敏感，即使在100%拉伸下也表现出优异的抗拉伸干扰压力传感性能。该种NYPS-R2×2传感器具有高达101.03 kPa−1的高灵敏度，检测限低至0.14 Pa，响应/恢复时间约为36/54 ms，在1000次压力循环测试中表现了出色的分辨率和稳定性，且抗拉伸干扰能力优异。 研究人员通过共轭电纺技术制备NYs纳米纤维纱线。导电纱线穿过圆锥形喷头中心，并在收集鼓上缠绕，而TPU纳米纤维从两个高压喷嘴中喷出并形成泰勒锥，最终附着在导电纱线上形成稳定的壳层结构。随后，通过针织机将这些纱线编织成不同结构的织物，使其具备优异的透气性和透湿性。将两片织物叠加形成电容式压力传感器NYPS-R2×2，其中导电芯层作为上下电极层，纱线壳层和中间空气层共同构成介电层，从而获得“三明治”结构的微电容传感器，使其具备高灵敏度和抗应变干扰的能力。  

通过示意图对比织物在100%拉伸前后的形态，表明即使在极大拉伸下，导电路径依然不发生改变。应变-电容变化率曲线证明了该传感器对应变的不敏感性。即织物在拉伸过程中，纱线间会发生旋转和滑移，但不会对介电常数和电极间距产生影响。计算结果表明，应变干扰因子（SIF）仅为8%，远低于压力引起的电容变化率，证明NYPS-R2×2具有出色的抗应变干扰能力。  

相关成果以“A flexible, highly sensitive, and anti-strain interference sensing fabric based on conjugated electrospinning core–shell conductive nanofiber yarns for ultra-stable pressure sensing and human–machine interaction”为题发表在Chemical Engineering Journal。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158602

审核编辑 黄宇