新型“看不见 ”的电子纤维传感器,将颠覆传统的薄膜传感器设备

“看不见 ”的电子纤维,每根纤维比人的头发还要细100倍。 作为传感器,这些纤维的功能超越了传统的薄膜传感器设备。

  近日,来自剑桥大学的研究人员表示,他们利用3D打印技术制造出了这些 “看不见 ”的电子纤维,每根纤维比人的头发还要细100倍。 作为传感器,这些纤维的功能超越了传统的薄膜传感器设备。

  3D打印电子纤维的实现,可能会将能够像人类一样感知气味、声音和触摸的设备照进现实。这种 “看不见 ”的3D打印纤维传感器可用于为能够感知呼吸和声音的电子设备和传感器供电。

  价格低廉且灵敏度极高的电子纤维

  小直径导电纤维具有独特的特性,使其有别于其他类别的薄膜型导电微结构和纳米结构。然而,现有的制造技术,如化学生长,湿法纺丝和2D/3D直接打印不容易允许纤维架构的组装。

  这就导致了利用纤维的独特特性组合的设备功能:方向性、导电性和高表面积-体积比。

  为了解决这一难题,剑桥大学的研究人员开发了一种新的打印方法,可以用来制造非接触式、可穿戴、便携式呼吸传感器,这些传感器具有高灵敏度和廉价的生产方式。它们还可以连接到智能手机等电子设备上,同时收集呼吸模式信息、声音和图像。

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  便携式三层光纤传感器可以连接到智能手机的前置摄像头上,将单层光纤传感器定位在鼻子上方。图片(修改后)由Science Advances提供使用。

  根据研究论文,这种纤维在健康监测(例如呼吸频率)和物联网方面的应用可能特别有用。

  该研究的第一作者、剑桥大学工程系博士生Andy Wang使用纤维传感器测量了在不同的模拟呼吸条件下,如正常呼吸、快速呼吸和咳嗽时,通过面罩漏出的呼吸水分量。

  据Wang介绍,纤维传感器的性能优于目前的同类商业传感器,尤其是在监测快速呼吸时。

  飞行光纤打印(IFP)

  Wang和他的同事使用他们开发的一种被称为飞行纤维打印(IFP)的方法,3D打印了复合纤维,这些纤维由银和/或半导体聚合物制成。

  这种技术创造了一种芯壳纤维结构,高纯度导电纤维芯包裹在薄薄的聚合物护套中,作为保护涂层。它与电线的结构非常相似,但规模小得多,直径只有几微米。

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  研究团队的IFP纤维传感器附着在面罩上,以高灵敏度检测人体呼吸。图片使用由剑桥大学提供

  IFP是在低于100℃的温度下进行的,这就形成了薄型导电纤维阵列的原位键。这些纤维可以悬浮或放置在表面,不需要后处理。通过优化纤维的尺寸,研究人员声称他们已经展示了一种快速在电路上创建小直径导电纤维的多功能技术。

  为 “浮动电子架构 ”让路

  作为概念验证,研究人员通过基于溶液的反应合成和有机导电的PEDOT:PSS纤维,生产出了无机金属银纤维。

  研究人员表示,由于IFP能够将纤维直接制造到电路上,他们能够利用纤维阵列的功能优势来探索IFP工艺所提供的新型电路架构。也就是说,这种工艺为3D “浮动电子架构 ”的概念打开了大门,这种架构将有机和无机纤维材料融合在同一个透明导电网络中。

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  3D分层浮动电路的架构。图片(修改后)由Science Advances提供使用。

  目前,该团队正在寻求开发一些多功能传感器的IFP方法。

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