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西南交大杨维清课题组:三维多级结构的柔性PVDF/ZnO纳米纤维穿戴电子

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2020-03-29 08:00

正文

▲第一作者：杨涛,通讯作者：杨维清,邓维礼

通讯单位：西南交通大学

论文DOI：10.1016/j.nanoen.2020.104706

全文速览

西南交通大学 杨维清课题组 报道了一种基于 三维多级结构P VDF/Z n O 复合纳米纤维超薄 可穿戴电子器件，并具有良好的 柔性和透气性 。通过ZnO棒的有效弯曲和高压电相PVDF纳米纤维的协同压电效应，纤维基传感器具有优异的电性能。此外，该传感器可以精确的监测出 呼吸、脉搏和腿部肌肉 活动，并在传感器阵列基础上，开发了一种灵敏的步态识别系统。

背景介绍

可穿戴电子设备由于与人体兼容性和多功能性使其具有广阔的应用前景。在不同工作机理的传感器中，压电式传感器具有快速响应和自供电特性的突出优势而受到广泛关注。而压电复合材料结合了无机压电材料的高电性能以及压电聚合物的柔性，是柔性压电传感器中最有前景的一种材料。目前大量关于压电复合材料的微纳结构致力于提高其电性能和柔性，如：多孔膜、纳米柱阵列、三角形和金字塔结构等。然而，这些所制备的传感器具有较低的形变、差的透气性和较弱的断裂强度导致其应用受限。因此，对于可穿戴电子设备的电性能和柔性的研究具有重要的意义。

本文亮 点

◆ 制备了一种独特三维多级互锁的超细P VDF/Z n O 复合纳米纤维，并展现出良好的柔性、高透气性和电性能 。

◆ 有效弯曲的互锁Zn O 棒和高压电性相的P VDF 纳米纤维的压电协同效应共同增加其电性能 ，复合纳米纤维的灵敏度提高了41倍。

◆ 开发了一套基于 人体生理信号检测的步态识别系统 ，由于优异的电性能和与人体表面的共形接触，成功的监测出 呼吸、脉搏和肌肉活动 。

图文解析

▲图1. 三维多级互锁PVDF/ZnO纳米纤维的制备过程及在人体肌肉监测的应用。

复合型纤维传感器展示与人体良好的共形接触，从而成功应用于人体生理信号监测方面，并在人体疾病康复、步态识别和量化肌肉活动等方面具有广阔的应用前景。该传感器先通过静电纺丝得到PVDF纳米纤维，在用磁控溅射在纤维表面制备均匀的种子层，最后水热法在纤维表面生长ZnO棒，生长过程如图1 b所示。

▲图2. 三维多级结构的PVDF/ZnO纳米纤维的表征与工作机理。

SEM和EDS清楚的展示了三维多级互锁的PVDF/ZnO纳米纤维结构，其气泡实验和实物照片显示了具有良好的透气性和柔性，XRD和FTIR显示了纤维含有高电活性相，ZnO棒弯曲的工作机理如图2 h所示。

▲图3. 按压模式的电性能表征。

按压模式的电性能主要通过线性马达来实施在1Hz的频率下，按压模式下灵敏度提高了6倍在0-451kPa范围内，具有良好的线性度，响应时间达到了53ms，并在5000次的循环中展示良好的使用寿命。

▲图4. 弯曲模式下电性能表征。

弯曲模式的电性能主要通过线性马达在1.5Hz的频率下实施，弯曲模式下显示了两段线性灵敏度，在0-0.076 mm ^-1 范围中，灵敏度达到16.89 V•mm，在0，076-0.2962 mm ^-1 范围中，灵敏度达到4.8 V•mm，响应时间达到了55ms，在5000次的循环中展示了良好的寿命。

▲图5. 纤维基柔性传感器在人体生理信号监测中的应用。

利用纤维传感器与人体保持良好的共形接触和优异的电性能，成功监测了呼吸、脉博和人体肌肉活动。进一步通过分析人体腿部的腓肠肌、比目鱼肌和胫骨前肌的信号，制备了一套人体步态识别系统。

总结与展望

本工作通过在纺丝PVDF纤维表面生长ZnO棒，成功的制备了一种三维多级结构取向的PVDF/ZnO纳米复合纤维，并展现了良好的透气性、柔性和电性能。基于互锁的ZnO棒和取向纳米纤维的压电协同效应，纤维基传感器具有优异的电性能,灵敏度在按压和弯曲模式下分别提高了6倍和41倍，在5000次循环后均展示了良好的寿命。此外，我们成功将其应用于人体生理信号监测中，如呼吸、脉搏和肌肉活动等，并开发了一套步态识别系统，这对人体健康和疾病的康复具有重要的意义。

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西南交大杨维清课题组:三维多级结构的柔性PVDF/ZnO纳米纤维穿戴电子

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