发布日期: 2020-03-28【教师】

信息学院电子学系胡又凡研究员课题组在可穿戴织物传感器研究中取得重要进展

基于织物的电子功能器件是可穿戴电子技术非常重要的组成部分,具有良好的透气性和柔性,且可在日常使用中与传统织物无缝集成。利用织物感知压力,可提供智能机器人、个人健康监测、人机交互等多领域、多种形式的先进应用。最近,基于纳米摩擦发电机的自驱动传感器由于设计制作简易、输出可靠和应用广泛而受到广泛关注,然而将纳米摩擦发电机应用于织物压力传感器,尚需解决一系列的问题,包括器件设计/加工与现有纺织技术的兼容性、织物结构设计对压力传感器关键性能参数的影响、织物传感器件的可靠性和可洗涤性等。

北京大学信息科学技术学院电子学系、纳米器件物理与化学教育部重点实验室胡又凡研究员课题组与香港理工大学纺织及制衣学系郑子剑教授课题组针对新型可穿戴织物压力传感器展开合作研究,实现了可洗涤的基于纳米摩擦发电机的织物压力传感器。

联合课题组采用聚合物辅助沉积法得到表面镀铜的聚丙烯腈纱线和以此为内芯表面覆盖聚对二甲苯的纱线。利用传统纺织方法,通过纺织机器加工实现了刺绣、编织和针织三种结构的基于纳米摩擦发电机的织物压力传感器,所得到的器件具有优异的透气性。工作过程中,两种纱线的接触面积在受到压力时会发生变化,从而改变摩擦电荷所诱发的感应电荷的数量,引起对外输出电压的变化。课题组对机器洗涤前后不同结构的织物压力传感器进行测试,进而分析了织物结构与织物压力传感器关键性能参数之间的联系;结果表明,材料/器件设计、机械环境、制造方法等将影响所获得的织物传感器的灵敏度、线性度、饱和趋势和耐洗性。与此同时,成功演示了该类织物电子器件能够有效地监测人体手势动作。

20203月,上述工作以《利用织物技术实现的基于纳米摩擦发电机的可机洗透气压力传感器》(Machine-washable and breathable pressure sensors based on triboelectric nanogenerators enabled by textile technologies)为题,发表于纳米材料学领域重要期刊《纳米能源》(Nano Energy, 2020, 70, 104528);信息科学技术学院2017级博士研究生赵至真为共同第一作者,胡又凡为通讯作者。这项工作证明,若采用适宜的结构设计,基于纳米摩擦发电机的纺织压力传感器将在与纺织工业兼容的轻质、便携、柔性、可洗和可穿戴技术中发挥重要潜力。

相关工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等支持。

通过机器纺织所得到的不同结构的织物压力传感器及其性能特征