離電子傳感紙原理、結構、材料及制備流程
 

 

離電子傳感紙在脈搏波測量及折紙鋼琴上的應用
 

 

離電子傳感紙在測重藥盒及手寫毛筆的壓力分布上的應用
 

　　那么，有沒有可能使紙張服務于未來的可穿戴智能設備和人機界面應用呢？近日，中國科學院深圳先進技術研究院副研究員常煜團隊與加州大學戴維斯分校教授潘挺睿團隊合作，通過將離電子傳感機制引入紙張中，使紙張擁有了觸覺傳感功能。相關論文《一體式離電子傳感紙》發表在學術期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上(All-in-One Iontronic Sensing Paper. Adv. Funct. Mater. 2019, 1807343)，文章作者是博士研究生李森，常煜和潘挺睿為共同通訊作者。
 

　　近年來，智能包裝、智能可穿戴電子設備以及柔性人機界面引起了越來越多的關注，該領域也成為科學研究的熱點。追求設備高靈敏度、低成本、3D結構性和表面適應性成為一種重要趨勢。紙張作為一種柔軟、可折疊、可印刷、可切割、一次性、可降解的材料，成本低廉，長期以來作為化學和生物傳感的靈活平臺。例如pH試紙、血糖試紙、早孕檢測試紙、紙基有機氣體傳感器、DNA和蛋白質傳感器等都是應用十分廣泛的生物化學傳感器。先前報道的壓敏紙以及由它們制成的壓力傳感器主要基于三種現有的傳感機制，即電阻式、電容式和摩擦電式。它們存在制備方法較為復雜、較低的響應線性度和響應速度等問題。另外，目前報道的紙基傳感器未能充分利用紙張的可印刷、可剪切及可折疊等特性。
 

　　團隊開發的一體式離電子傳感紙很好地彌補了上述缺憾。研究團隊基于柔性離電子傳感機制，提出了離電子傳感紙(ISP)作為一體化柔性傳感平臺，此平臺同時包含離子區域與電極區域并且具有直接印刷性、定制可切割性和三維可折疊性。ISP可以僅通過紙張特定的操作(例如打印、切割、折疊和膠合)以二維平面或三維折紙的形式構造壓力傳感器件。另外，ISP器件的靈敏度為10nF/kPa/cm2，至少是當前電容式傳感器的數千倍，分辨率為6.25Pa，具有單毫秒的快速機械響應時間以及較高的響應線性度(R2> 0.996)。此外，該團隊還為ISP器件建立了理論模型，推導并驗證了此模型能合理解釋ISP電容-壓力特性。
 

　　得益于紙張獨特的性能，ISP可以切割成任何形狀，并與物體或其包裝無縫集成，以檢測重量變化；ISP還可以折疊以構建帶有電子接口的智能3D折紙，例如具有高低音量控制的高靈敏度紙鋼琴和用于連續監測脈搏波形的可穿戴折紙手環；另外，借助三明治結構，ISP可以構建一個16×16的壓力傳感陣列，此傳感陣列可以追蹤和記錄中國書法的筆跡和壓強分布。
 

　　這項工作為紙質傳感平臺提供了一種簡單且低成本的方法，ISP展現了由離電子傳感原理實現原創智能紙的概念，具有顯著的傳感優勢，在人機界面、智能包裝、健康可穿戴方面具有廣泛的應用前景。
 

　　該項目獲得國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、廣東省“珠江人才”團隊計劃及深圳市科技計劃的支持。
 

　　(原文標題：深圳先進院等研發出一體式離電子傳感紙)