基於聚合物電解質薄膜的新型柔性離子敏濕度感測器及其多功能可穿戴應用

近年來，柔性可穿戴電子在健康醫療、運動監控等方面越來越受到關注，尤其是隨著各類柔性感測器的迅速發展，極大的拓展了柔性電子的應用方式和範圍。例如，柔性壓力、溫度感測器的開發，極大促進了柔性仿生皮膚電子、機器人人機界面交互及植入式生物醫療等柔性電子技術的發展。然而，作為在日常生活、工業生產等方面具有非常重要潛在應用價值的柔性濕度感測器方面的研究報道卻相對較少，這主要是由於常用諸如碳納米材料、金屬納米線及多孔陶瓷等敏感材料在製備工藝條件、響應靈敏性、濕度選擇性感測等方面都存在一定製約。例如，陶瓷和金屬氧化物濕度敏感材料在脫附水分子過程較慢且需要進行加熱處理，在感測過程中需要進行溫度補償；基於場效應晶體管的濕度感測器製備工藝複雜、成本較高、濕滯問題明顯。因此，發展一種基於易於規模化製備的具有寬響應範圍、快速響應能力的濕度選擇性柔性感測器在柔性電子領域是一項挑戰。

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張珽研究員團隊成員李鐵博士和研究生李連輝（共同一作）等針對這一問題研發出基於PVA/KOH聚合物電解質多孔薄膜獲得新型離子敏濕度感測器，實現在較寬濕度範圍內的線性快速響應，且器件對溫度或力學變化無明顯響應，並在濕度開關及人體皮膚水分測量方面展現出良好多功能應用前景，非常適合用於可穿戴柔性系統。

該研究在常溫常壓下通過溶液自蒸發成形製備方法獲得均勻溶解的大面積PVA/KOH聚合物電解質固體柔性敏感薄膜，分析表明KOH在冷卻過程中無晶體析出，完全溶解在PVA基體之中，柔性薄膜內部存在著大量孔狀連通結構，且具有較好的力學性能及均一電學性能，這些特性都有利於氣態水分子在薄膜壁上吸附及離子在薄膜內部的快速遷移，從而提高離子敏感層響應速率、靈敏度及範圍。研究表明，柔性濕度感測器在較寬濕度範圍內（10%-81%）具有良好線性響應能力，且響應和恢復速率非常快（分別達到0.4 s和2.6 s）；力學及溫度測試表明此器件表現出很好的選擇性，對溫度或力學變化無明顯響應，非常適合用於可穿戴柔性系統。進一步，將此柔性濕度感測器與LED顯示燈、後端處理電路板及高精度源表相聯接，構築非接觸式柔性濕度開關係統，當手指靠近濕度開關時，LED通過開/關或明/暗亮度變化來實現非接觸響應可視顯示。另外，人體皮膚水分含量對於美容美顏保養、生理健康評估等都具有重要的參考價值，基於非接觸響應系統構建了器件靈敏度與水分含量之間的線性關係，初步實現了對人體皮膚水分預測能力，在護膚日用品應用、健康管理等方面都展現出誘人的應用前景。相關結果發表於Advanced Science（DOI: 10.1002/advs.201600404）上，並被選為當期的背封面論文（Back cover）向讀者重點介紹。

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