深圳先进院等研发出一体式离电子传感纸

来源：中国电子元件行业协会敏感元器件与传感器分会

造纸术是中国四大发明之一，纸是中国古代劳动人民通过长期的经验积累形成的智慧结晶，它由天然或人造纤维素纤维与添加剂组成，在人们日常生活中发挥着记录和传播信息的重要作用。那么，有没有可能使纸张服务于未来的可穿戴智能设备和人机界面应用呢？近日，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员常煜团队与加州大学戴维斯分校教授潘挺睿团队合作，通过将离电子传感机制引入纸张中，使纸张拥有了触觉传感功能。相关论文《一体式离电子传感纸》发表在国际学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上（All-in-One Iontronic Sensing Paper. Adv. Funct. Mater. 2019, 1807343），文章第一作者是博士研究生李森，常煜和潘挺睿为共同通讯作者。

 

近年来，智能包装、智能可穿戴电子设备以及柔性人机界面引起了越来越多的关注，该领域也成为科学研究的热点。追求设备高灵敏度、低成本、3D结构性和表面适应性成为一种重要趋势。纸张作为一种柔软、可折叠、可印刷、可切割、一次性、可降解的材料，成本低廉，长期以来作为化学和生物传感的灵活平台。例如pH试纸、血糖试纸、早孕检测试纸、纸基有机气体传感器、DNA和蛋白质传感器等都是应用十分广泛的生物化学传感器。先前报道的压敏纸以及由它们制成的压力传感器主要基于三种现有的传感机制，即电阻式、电容式和摩擦电式。它们存在制备方法较为复杂、较低的响应线性度和响应速度等问题。另外，目前报道的纸基传感器未能充分利用纸张的可印刷、可剪切及可折叠等特性。

离电子传感纸原理、结构、材料及制备流程

 

团队开发的一体式离电子传感纸很好地弥补了上述缺憾。研究团队基于柔性离电子传感机制，提出了离电子传感纸（ISP）作为一体化柔性传感平台，此平台同时包含离子区域与电极区域并且具有直接印刷性、定制可切割性和三维可折叠性。ISP可以仅通过纸张特定的操作（例如打印、切割、折叠和胶合）以二维平面或三维折纸的形式构造压力传感器件。另外，ISP器件的灵敏度为10nF/kPa/cm2，至少是当前电容式传感器的数千倍，分辨率为6.25Pa，具有单毫秒的快速机械响应时间以及较高的响应线性度（R2> 0.996）。此外，该团队还为ISP器件建立了理论模型，推导并验证了此模型能合理解释ISP电容-压力特性。

 

得益于纸张独特卓越的性能，ISP可以切割成任何形状，并与物体或其包装无缝集成，以检测重量变化；ISP还可以折叠以构建带有电子接口的智能3D折纸，例如具有高低音量控制的高灵敏度纸钢琴和用于连续监测脉搏波形的可穿戴折纸手环；另外，借助三明治结构，ISP可以构建一个16×16的压力传感阵列，此传感阵列可以追踪和记录中国书法的笔迹和压强分布。

这项工作为纸质传感平台提供了一种简单且低成本的方法，ISP展现了由离电子传感原理实现原创智能纸的概念，具有显著的传感优势，在人机界面、智能包装、健康可穿戴方面具有广泛的应用前景。

 

该项目获得国家自然科学基金、科技部重点研发计划、广东省“珠江人才”团队计划及深圳市科技计划的支持。

 

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201807343