【摘 要】
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随着信息技术的发展,人们对具备优异柔性的新型压力传感器的需求愈加迫切。传统的基于硅基材料的刚性压力传感器,无法满足在特定使用环境下对形变的要求,因此在柔性电子器件领域的应用有较大的局限性。柔性压力传感器由于其高柔性、可延展性和便携性等优点在健康监测、可穿戴器件、电子皮肤和人体运动监测等领域都展现了广阔的应用前景。近些年来柔性压力传感器的研究取得了很大的进展,但诸多柔性压力传感器仍然存在制备过程繁琐
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随着信息技术的发展,人们对具备优异柔性的新型压力传感器的需求愈加迫切。传统的基于硅基材料的刚性压力传感器,无法满足在特定使用环境下对形变的要求,因此在柔性电子器件领域的应用有较大的局限性。柔性压力传感器由于其高柔性、可延展性和便携性等优点在健康监测、可穿戴器件、电子皮肤和人体运动监测等领域都展现了广阔的应用前景。近些年来柔性压力传感器的研究取得了很大的进展,但诸多柔性压力传感器仍然存在制备过程繁琐、可穿戴舒适性差和不透气等问题,限制了它们的应用。静电纺丝法制备的纳米纤维薄膜以及常见的织物材料都具有轻薄、柔软和透气的基本特性,且易于贴附在人体皮肤表面,适用于电子皮肤和可穿戴传感器等领域,因此开发新型的具有优异传感性能的纤维基柔性压力传感器也成为研究热点之一。本文旨在利用简便易得的纳米纤维薄膜和织物材料,通过结构设计的思路开发具有多传感模式和高性能的纤维基柔性压力传感器,以避免复杂的制备工艺。具体的研究内容和结论如下:（1）采用连续静电纺丝的方法,直接组装出包括电极层和压电层在内的具有多层结构、整体性良好的压电型柔性压力传感器。所制备的压力传感器为三明治结构,包括两层聚氨酯/银纳米线（PU/AgNW）电极层和一层聚氨酯/聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）（PU/P（VDF-TrFE））压电层。静电纺丝过程中纳米纤维薄膜材料的制备和压力传感器的组装同步进行、同时完成。静电纺丝法制备出PU/AgNW电极兼具柔软透气、高导电性和优异的抗菌性能等优点。电极层和压电层之间结合紧密,没有明显的界面,有利于传感器产生较强的输出信号。所制备的压力传感器由于其全纳米纤维结构,具有良好的柔韧性。此外该压力传感器展现出高的输出电压和输出电流以及超过20000次工作循环的优异的稳定性。所制备的压力传感器的高性能和简易的制造策略表明了其在人体可穿戴器件领域的应用潜力。（2）使用静电纺丝法一步成型制备了具有表面微观结构的聚氨酯（PU）纳米纤维薄膜。静电纺丝过程中聚氨酯纳米纤维薄膜的上表面直接生成了许多微凸起,但其下表面却展现了均匀平整的纤维网络结构。通过在聚氨酯纳米纤维薄膜的粗糙上表面引入银层作为导电层即可得到对压力敏感的具有微凸起结构的聚氨酯/银（PU/Ag）薄膜。基于此薄膜可组装出新型的压阻型柔性压力传感器。通过检测两层压阻层之间的接触电阻变化可检测出传感器负载的压力。所制备的压力传感器展现了优异的传感性能和工作稳定性,并可用于对人体关节运动和脉搏信号的监测。该压力传感器引入微观结构的简易策略和优异的传感性能为新型压阻型柔性压力传感器的制备提供了新的思路。（3）结合静电纺丝法制备的聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维薄膜和经聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）水溶液处理后的尼龙织物（PEDOT:PSS@nylon织物）组装了耦合压电效应和压阻效应的双模式柔性压力传感器。全纤维基的双模式压力传感器柔软透气且穿戴舒适度高。该压力传感器包含压电部分和压阻部分。PVDF纳米纤维薄膜为压电部分的压电层,PEDOT:PSS@nylon织物则是压阻部分的压阻层。该传感器的压电部分和压阻部分均展现了优异的传感性能和工作稳定性。二者可分别作为压电型压力传感器和压阻型压力传感器单独工作,也可以协同工作实现对静态压力以及宽频率范围的动态压力的检测和对复杂受力过程的精准分析。此外还探索了双模式压力传感器的实时双输出信号及其在人体运动监测领域的实际应用。
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