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近年來(lái)隨著柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展,用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性可穿戴傳感器件引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。其中,柔性壓力傳感器在監(jiān)測(cè)生理健康信號(hào)(如脈搏、血壓、呼吸等)方面發(fā)揮著重要作用。基于織物的壓力傳感器由于具有出色的柔韌性和透氣性,已成為智能可穿戴電子產(chǎn)品發(fā)展的理想選擇。然而,目前大多數(shù)織物基壓力傳感器難以在應(yīng)變干擾的情況下準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)壓力信號(hào),這限制了它們的進(jìn)一步應(yīng)用。
近日,北京服裝學(xué)院汪濱副教授、張秀芹教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述問(wèn)題,制備了一種共軛電紡核-殼導(dǎo)電納米纖維紗線,并將其編織成具有針織羅紋結(jié)構(gòu)的傳感織物。核-殼結(jié)構(gòu)紗線的設(shè)計(jì)有效提高了壓力傳感靈敏度,且的編織互鎖結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電路徑留下了伸展空間(抗拉伸)。兩者的協(xié)同效應(yīng)使傳感器對(duì)壓力高度敏感但對(duì)拉力不敏感,即使在99%拉伸下也表現(xiàn)出優(yōu)異的抗拉伸干擾壓力傳感性能。該種NYPS-R2×2傳感器具有高達(dá)101.03 kPa?1的高靈敏度,檢測(cè)限低至0.14 Pa,響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間約為36/54 ms,在1000次壓力循環(huán)測(cè)試中表現(xiàn)了出色的分辨率和穩(wěn)定性,且抗拉伸干擾能力優(yōu)異。研究人員通過(guò)共軛電紡技術(shù)制備N(xiāo)Ys納米纖維紗線。導(dǎo)電紗線穿過(guò)圓錐形噴頭中心,并在收集鼓上纏繞,而TPU納米纖維從兩個(gè)高壓噴嘴中噴出并形成泰勒錐,最終附著在導(dǎo)電紗線上形成穩(wěn)定的殼層結(jié)構(gòu)。隨后,通過(guò)針織機(jī)將這些紗線編織成不同結(jié)構(gòu)的織物,使其具備優(yōu)異的透氣性和透濕性。將兩片織物疊加形成電容式壓力傳感器NYPS-R2×2,其中導(dǎo)電芯層作為上下電極層,紗線殼層和中間空氣層共同構(gòu)成介電層,從而獲得“三明治"結(jié)構(gòu)的微電容傳感器,使其具備高靈敏度和抗應(yīng)變干擾的能力。
通過(guò)示意圖對(duì)比織物在99%拉伸前后的形態(tài),表明即使在極大拉伸下,導(dǎo)電路徑依然不發(fā)生改變。應(yīng)變-電容變化率曲線證明了該傳感器對(duì)應(yīng)變的不敏感性。即織物在拉伸過(guò)程中,紗線間會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)和滑移,但不會(huì)對(duì)介電常數(shù)和電極間距產(chǎn)生影響。計(jì)算結(jié)果表明,應(yīng)變干擾因子(SIF)僅為8%,遠(yuǎn)低于壓力引起的電容變化率,證明NYPS-R2×2具有出色的抗應(yīng)變干擾能力。
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