高性能呼吸传感器功能层悬空纳米纤维的定域定向制造基础研究

Wearable high-performance respiration sensor is not only an indispensable part of the flexible electronics field, but also plays a significant role in recording human’s respiration information and diagnosing respiratory tract diseases. However, the large-scale application of the wearable respiration sensor is now faced a difficulty in less of the capacity in cost-effectively manufacturing the functional element on a flexible and stretchable substrate with highly sensitive response to the respiration flow. This research project proposes a suspended structure array formed with aligned polyvinylidene fluoride (PVDF) nano-fibers, and proposes the directed and localized nano-fiber deposition technique based on electrospinning. This technique introduces simultaneously the patterned spatial electric field and auxiliary electric field that is separately generated by the “island-bridge” electrodes and interdigital electrodes on the collector substrate to define the deposition position and posture of the nano-fibers. This project focuses on the investigation of three basic scientific issues, including the directed and localized deposition mechanism of the nano-fiber-based suspended structure, the dynamics and heat transfer physics of the interaction between nano-fiber and respiration flow, the optimization schemes enhancing the integrated performance of the respiration sensor, for developing eventually an achievable mass-fabrication technique for wearable high-performance respiration sensor.

可穿戴高性能呼吸传感器不仅是柔性电子器件发展方向上一块不可或缺的拼图，更在实时监测人体呼吸信息、诊断呼吸道疾病等方面具备无可替代的意义。然而如何在柔性可拉伸衬底表面高效率、低成本地制造对呼吸气流具备极高响应特性的传感功能单元，一直是制约穿戴式呼吸传感器走向实际应用的关键瓶颈。为此，本项目提出了定向聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维的悬空桥式结构阵列，并针对该结构构形的复杂性，提出基于静电纺丝技术的纳米纤维定域定向沉积技术，利用接收衬底上的“岛-桥”电极和叉指电极同时引入图案化空间电场和辅助电场，解决纳米纤维的沉积位置和沉积姿态的规范问题。本项目将探索纳米纤维悬空桥式结构的定域定向沉积机理，纳米纤维与呼吸气流相互作用的动力学及热传物理机制，呼吸传感器综合性能的影响因素和优化方案等基础科学问题，发展一种切实可行的高性能呼吸传感器规模化制造技术。

本项目提出的纳米纤维悬空桥式结构—在最大化功能材料有效比表面积的基础上，能进一步提高纳米纤维的形变能力，进而提高定向纳米纤维对压力的响应。通过建立悬空桥式纳米纤维与气流相互作用的动力学模型，证实了悬空纳米纤维与气流的相互作用规律，优化了微叉指电极和纳米纤维的特征尺度及分布状态等；基于二维材料MXene和天然织物制备了具有超高拉伸量的导电薄膜，该导电衬底具有较高的灵敏度（GF=24.35），可以对0-20%的应变范围进行检测，在0.05Hz到1Hz范围内能保持较好的动态响应，可用于穿戴式器件的可拉伸衬底；并在此基础上设计一种平面叉指电容结构，利用电容值在不同方向拉伸下其灵敏度的差异来实现应变方向的识别，对叉指电容结构的材料及制备工艺进行了优化研究，实现可拉伸薄膜的方向性识别。除此之外，从材料、结构和工艺的角度，对其他类型的气体传感机理及相关微纳结构器件进行了探索研究。利用聚多巴胺活性位点多和碱化MXenes比表面积大的协同效应，提出一种聚多巴胺包覆碱化MXenes的高性能湿敏材料，优化材料制备工艺，实现呼吸频率和深度信息的检测；揭示多级结构形貌对接触面积与载荷之间的线性响应关系的影响规律，制备具有仿生多级锥结构的力学传感器，实现超宽线性范围（0-218kPa）的压力检测，可用于微弱气流的监测；研究了基于气体电离原理和金属氧化物表面电子学特性的气体传感机理，开发了低工作电压、低温的气体传感器。项目所开展的研究工作一方面将为柔性呼吸传感器的设计提供理论支持和工艺新途径，另一方面将促进纳米纤维在穿戴式器件领域的创新应用，为高性能呼吸传感器的实现奠定基础，研究结果有望应用在医用生理信号监测，人机交互等领域。