青島大學Nat. Commu: 用于運動監控的具有高級熱管理功能的高性能可穿戴應變傳感器

【引言】

如今，可穿戴和柔性/可拉伸的應變傳感器由于能夠將機械形變轉換為電信號而備受關注，并廣泛用于人機交互，健康監測系統以及人體運動監測和檢測。與傳統剛性傳感器相比，柔性/可拉伸應變傳感器能夠承受更大的外部應變。可拉伸應變傳感器的類型很多，包括電阻傳感器，電容傳感器，壓電傳感器，摩擦電傳感器等。可拉伸應變傳感器的類型很多，包括電阻傳感器，電容傳感器，壓電傳感器，摩擦電傳感器等。其中，具有高靈敏度的可拉伸電阻應變傳感器由于其結構簡單且制造過程容易受到了廣泛的關注。最近已經提出了基于石墨烯，碳納米管等碳基材料的可拉伸電阻應變傳感器。為了獲得高靈敏度，活性材料的微觀結構必須在細微的機械刺激下以電阻的形式急劇變化。值得一提的是，電阻變化，尤其是納米填料之間較大的納米接觸電阻，將因此產生大量熱量，通常被用作納米加熱器。但是，對于可拉伸的電子設備，這種升高的熱量會對設備的性能，安全性和可靠性產生負面影響，甚至導致其結構和功能失效。因此需要開發具有出色熱管理性能的高性能可穿戴和可拉伸應變傳感器。

【成果簡介】

近日，青島大學孫彬副教授團隊聯合上海交通大學黃興溢教授團隊報道了一種具有先進的熱管理功能的高度可拉伸，透氣且生物相容的應變傳感器。該傳感器具有超過100％的良好拉伸性，出色的電性能以及超過5000個循環的長期耐用性和可重復性。由于在電紡熱塑性聚氨酯（TPU）纖維膜的表面上形成了石墨烯納米帶（GNR）的導電納米網絡，因此可以精確地感測人的動作，并且在劃船運動實際應用上得到了進一步證明。此外，填充有緊密接觸的BNNS的納米復合TPU基質（記為TPU-BNNS）可確保將熱量快速散發到環境中，而電紡TPU纖維膜的絕熱特性使其適合于可貼在人體皮膚上。為了進一步了解應變傳感器的散熱機理，還對TPU-BNNS膜與空氣之間的界面導熱進行了模擬和計算。導熱率提高242％，傳感器實時飽和溫度下降了32％。特別是，在重復的拉伸-釋放過程中，可拉伸電子器件的動態工作溫度波動進行了原位測試。 在0到100％應變之間的連續拉伸釋放過程中，應變傳感器的表面溫度表現出優異的熱穩定性。相關研究成果“A high performance wearable strain sensor with advanced thermal management for motion monitoring”為題發表在Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖一 結構示意圖。

（a）可拉伸傳感器的示意圖和光學照片。

（b，c）沉積在電紡纖維墊上的GNR的俯視圖和（c）截面圖。

（d）應變傳感器的截面圖。

（e）電紡TPU纖維氈和TPU-BNNS膜之間的中間層的截面圖。

圖二可拉伸應變傳感器的熱性能

（a）TPU-BNNS膜和應變傳感器的熱導率。

（b）分別在25和125°C之間交替進行多次加熱和冷卻循環時，不同BNNSs含量應變傳感器的熱導率。

（c）不同BNNS含量傳感器的飽和溫度。

（d）在初始長度和100％應變之間超過30次循環的情況下，應變傳感器的飽和溫度波動范圍。

（e）拉伸釋放過程中導熱路徑變化的示意圖。

（f）拉伸釋放過程中導熱路徑變化的示意圖。

圖三可拉伸應變傳感器的機電性能

（a）可拉伸應變傳感器在各種應變下的IV曲線。

（b）分別在1、2、4、6、7和8mms^-1的應變頻率下100％應變下電阻與時間的相對變化。 ?

（c）傳感器在各種外部應變下的響應。

（d）在不同的施加應變下，可拉伸應變傳感器的相對電阻變化。

（e）SEM圖像說明了拉伸過程中TPU纖維表面的GNR。

（f）傳感器在100％的循環穩定性測試。

圖四 人體運動監測測試

圖五應變傳感器的生物相容性

（a，b）細胞增殖試驗，細胞活性與時間的關系。

（c）對應的細胞共聚焦顯微鏡圖像。

【小結】

總之，本文報告了一種具有先進熱管理功能的高性能應變傳感器。應變傳感器包含TPU作為矩陣，以及用于導熱和導電的BNNS和GNR，并具有量身定制的熱性能。 高伸縮性和靈敏度以及長期的電氣特性使其成為精確監控人體運動的理想選擇。特別是，澆鑄的TPU-BNNS薄膜可提高熱導率，有助于快速將熱量傳遞到環境中，而多孔電紡纖維膜層則可起到隔熱作用，可作為皮膚保護劑。此外， TPUBNNS膜與空氣之間界面導熱率高達2.9×10⁴ W m^-2K^-1，且首次研究了在重復拉伸-釋放過程下可拉伸電子器件的動態工作溫度波動。測試結果表明，可拉伸應變傳感器具有出色熱穩定性。最后，通過試驗證實，活性納米填料可以被嚴格限制在納米復合材料中，并防止其浸出，這對于與皮膚連接的設備至關重要。 改工作可以為下一代可穿戴和可拉伸電子產品的熱管理提高了設計思路。

文獻鏈接：“A high performance wearable strain sensor with advanced thermal management for motion monitoring”(DOI: 10.1038/s41467-020-17301-6)

本文由微觀世界編譯供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip。