離電子傳感紙原理、結(jié)構(gòu)、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(yīng)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(yīng)用
 

　　那么，有沒有可能使紙張服務(wù)于未來的可穿戴智能設(shè)備和人機界面應(yīng)用呢？近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院副研究員常煜團隊與加州大學(xué)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(guān)論文《一體式離電子傳感紙》發(fā)表在學(xué)術(shù)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(shè)備以及柔性人機界面引起了越來越多的關(guān)注，該領(lǐng)域也成為科學(xué)研究的熱點。追求設(shè)備高靈敏度、低成本、3D結(jié)構(gòu)性和表面適應(yīng)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(xué)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(zhì)傳感器等都是應(yīng)用十分廣泛的生物化學(xué)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(xiàn)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(fù)雜、較低的響應(yīng)線性度和響應(yīng)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(fā)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(qū)域與電極區(qū)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?zhí)囟ǖ牟僮?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(gòu)造壓力傳感器件。另外，ISP器件的靈敏度為10nF/kPa/cm2，至少是當(dāng)前電容式傳感器的數(shù)千倍，分辨率為6.25Pa，具有單毫秒的快速機械響應(yīng)時間以及較高的響應(yīng)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(dǎo)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(gòu)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(xù)監(jiān)測脈搏波形的可穿戴折紙手環(huán)；另外，借助三明治結(jié)構(gòu)，ISP可以構(gòu)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(zhì)傳感平臺提供了一種簡單且低成本的方法，ISP展現(xiàn)了由離電子傳感原理實現(xiàn)原創(chuàng)智能紙的概念，具有顯著的傳感優(yōu)勢，在人機界面、智能包裝、健康可穿戴方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
 

　　該項目獲得國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)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(biāo)題：深圳先進院等研發(fā)出一體式離電子傳感紙)