中山大學吳進：高穩定/超靈敏/可拉伸/快響應/可穿戴水凝膠薄膜溫度傳感器

非金非土非木

2021年5月6日 14:51

【科研摘要】

導電水凝膠可用于與皮膚集成在一起的可穿戴電子設備中，但是現有基于水凝膠的溫度傳感器的整體結構限制了佩戴舒適性，響應 /恢復速度和靈敏度。最近，中山大學吳進副教授團隊設計了基于新型薄膜夾層結構（TFSS）的可拉伸且透明的溫度傳感器，該傳感器顯示出前所未有的熱敏性（24.54％/°C），快速響應時間（0.19 s）和恢復時間（0.08 s），寬廣的檢測范圍（ ? 28至95.3°C），高分辨率（0.8°C）和高穩定性。

中山大學吳進：高穩定/超靈敏/可拉伸/快響應/可穿戴水凝膠薄膜溫度傳感器的圖1

薄的水凝膠層（12.15μm）被兩層薄的彈性體層封裝，可防止水蒸發并增強熱傳遞，從而提高穩定性并加快響應/恢復速度。摻入水凝膠的可水合溴化鋰（ LiBr）進一步提高了非干燥和抗凍能力，使其能夠在極端干旱的環境中避免脫水，并在零下溫度以下凍結（凝固點低于-120°C）。一項比較研究表明，在室溫下，TFSS傳感器在電容模式下顯示的熱靈敏度是傳統電導/電阻模式下的熱靈敏度的幾倍。

重要的是，提出了一種基于水平平板電容模型的新機制，以通過考慮TFSS的介電常數和幾何變化來理解高靈敏度。薄的TFSS，可拉伸性和透明性使該傳感器能夠舒適地貼合在人體皮膚上，以便實時可靠地監視各種人體運動，身體狀態，皮膚溫度等，而不會影響外觀。相關論文以題為 Ultrasensitive, Stretchable, and Fast-Response Temperature Sensors Based on Hydrogel Films for Wearable Applications 發表在《 ACS Appl. Mater. Interfaces 》上。

【主圖導讀】

圖 1. （a）描繪了TFSS傳感器的三明治結構的示意圖，其中水凝膠膜被兩層PDMS膜包裹。（b）示意圖說明通過鹽滲濾將LiBr引入水凝膠以提高穩定性。（c）TFSS傳感器的光學圖像以30％的應變拉伸并放置在智能手機上。屏幕上清晰可見熊的數字圖片。（d，e）顯示TFSS的橫截面輪廓的光學圖像。中間水凝膠層的厚度為12.15μm。（f）TFSS傳感器和塊狀水凝膠的透光率。

圖 2.示意圖，顯示了通過逐層旋涂技術制造TFSS傳感器的過程。

圖 3.拉伸性，抗干燥性和抗凍性。（a）TFSS傳感器在0％和50％拉伸應變下的照片。（b）在25℃和22％RH下，相對于時間的散裝水凝膠，50重量％的LiBr滲透過的散裝水凝膠和TFSS水凝膠的重量損失。（c）三種樣品的重量損失與25°C下相對時間的關系，相對濕度從22％變為5％。（d）原始水凝膠和在50 wt％LiBr溶液中滲透2 h的水凝膠的DSC光譜。（e）在-18°C下存放超過24小時后，原始狀態（左），150°彎曲（中）和20％應變（右）時TFSS傳感器的照片，顯示了保留的柔韌性和可拉伸性。

圖 4. TFSS傳感器的熱傳感特性。（a，c）相對電容和電阻隨溫度的變化。插圖：TFSS傳感器的示意圖。（b，d）電容和電阻分別隨溫度變化。（e）最先進的可拉伸溫度傳感器的功能雷達圖。

圖 5.電容模式下的熱傳感機制。（a）分別圖示了TFSS的橫截面輪廓（左）和溫度傳感器（中）在低溫（高于）和高溫（低于）時的等效電路圖的示意圖。（b）照片顯示在-18和40°C下分別沒有（左）和清晰（右）水滴從TFSS傳感器中擠出。（c）示意圖說明水凝膠-電極界面處離子的溫度依賴性吸附。

圖 6. TFSS溫度傳感器的可穿戴應用。（a）分別顯示TFSS傳感器在上唇和腕部皮膚上的保形附著的照片，分別用于（b）實時監測呼吸頻率和（c）實時檢測皮膚溫度。b）在三個人體運動后，動態電容隨呼吸變化：（b1）坐著，（b2-3）跳繩和（b4）快速跑步。從（b3）中的動態響應曲線中提取了短響應時間（0.19 s）和恢復時間（0.08 s）。（c，d）電容分別響應于腕部皮膚和握手的溫度變化而變化。插圖：照片顯示TFSS傳感器固定在手掌上。（e）TFSS傳感器的電容響應和（f）本體水凝膠傳感器對三個周期重復失效的電阻響應。

圖 7. TFSS的應變傳感和可穿戴應用。（a）TFSS的相對電阻變化與拉伸應變的關系。（b，c）對700次循環重復加載和卸載45％應變的動態響應。（d）對食指反復彎曲和放松的動態響應。（e，f）分別重復吞咽五個周期和一個選定的感應周期的動態響應。反應曲線上的兩個峰值反映了吞咽過程中喉突的運動。面板d和e中的插圖：照片顯示了TFSS傳感器連接在食指和喉嚨上，用于監視相應的運動。