基于InGaZnO的薄膜热敏电阻在PEEK织物上的集成及其在绿色智能纺织品中的应用

本刊推荐：本文创新性地提出了一种在生物相容性聚醚醚酮（PEEK）织物上集成可完全回收的薄膜电子器件的策略，重点研究了三种不同电极（Zn, Al, Ag）的铟镓锌氧化物（IGZO）基热敏电阻。该器件兼具透气性（WVTR达1281 g/m2h-1）、柔性（可承受1000次弯曲循环）与热响应性（TCR达-1.5×10-2 °C-1），并通过水溶解策略实现衬底重复利用（第二代器件性能衰减仅60%），为可持续电子纺织品（e-textiles）提供了突破性解决方案。

　　

引言

纺织工业在人类社会中长期扮演着关键角色，近年来更在可持续性和创新领域成为重要推动力。现代纺织品已进化出抗菌性、防水性、防紫外线辐射和化学品防护等先进特性，但其面临严峻的环境挑战——全球每年产生超过9200万吨纺织废物，仅不足20%被回收利用。与此同时，电子纺织品（e-textiles）的兴起为医疗保健、运动服装、航空航天等领域提供了创新解决方案，但其有限的寿命终止（EoL）策略和有毒材料的使用制约了可持续发展。

基于铟镓锌氧化物（IGZO）的水溶性材料作为传感器敏感元件已被广泛研究，但其与绿色纺织基底的结合仍存在技术瓶颈。聚醚醚酮（PEEK）作为一种生物相容、半结晶、化学惰性的热塑性材料，以其耐水解性和优异的热机械性能成为理想基底。本研究首次实现了在PEEK织物上集成可回收薄膜热敏电阻的系统方案，通过聚乙烯醇（PVA）平面化层处理，结合低温溅射工艺，构建了兼具透气性、柔性和循环利用特性的智能传感平台。

结果与讨论

基底特性与平面化层优化

采用商用PEEK燃料过滤织物（SEFAR AG）作为基底，其编织结构呈现经向纬向各4线/毫米的均匀分布，单线厚度约37μm。通过PVA水溶液（4.7%）浸涂工艺研究，发现1分钟浸泡时间可实现最优平衡：PVA相对吸收率（RAR）仅2.3 mg/m2，弯曲刚度（BS）为10.7 mg·cm，水蒸气透过率（WVTR）保持0.978 kg/m2h，仅比原始织物降低29%。光学轮廓仪显示形成约5μm厚PVA平面化层，有效改善织物表面平整度而不影响其多孔结构。

器件制备与结构特性

采用室温直流溅射沉积100nm金属电极（Al、Zn、Ag）和射频溅射50nm IGZO敏感层，结合乙烯基胶带阴影掩模技术避免光刻工艺的化学污染。最终器件呈现阶梯状结构：80μm PEEK织物基底、5.3μm PVA平面化层、金属电极和IGZO功能层。Ag基器件初始电阻达1×10⁶Ω，Zn基和Al基分别为50×10²Ω和2×10⁴Ω，证明电极与半导体层间形成良好欧姆接触。

透气性性能评估

通过水杯称重法测量WVTR发现：原始PEEK织物为1.383 kg/m2h，PVA涂层后降至0.978 kg/m2h，而完成电子器件集成后反而提升至1281 g/m2h（约1.281 kg/m2h）。这种反常现象源于真空溅射过程清除了PVA层部分孔洞阻塞物，使孔密度恢复至12孔/mm2（达原始织物的77.7%）。该值显著高于文献报道的智能纺织品（如棉基运动检测器43.76 g/m2h，大麻压力传感器40 g/m2h），达到商业透气织物水平（约1000 g/m2h）且接近人体皮肤透湿率（200-2500 g/m2h）。

热敏特性分析

在25-60°C温度循环测试中，Al基热敏电阻呈现最佳稳定性，温度系数（TCR）为-8.4×10^-3 °C^-1（R2=0.99），滞后率仅2.27%。Zn基器件首次循环后出现接触失效，TCR为-7×10^-4 °C^-1（R2=0.76）。Ag基器件表现突出：TCR达-1.5×10^-2 °C^-1（R2=0.99），滞后率3.34%，零点漂移<1%，性能与柔性塑料基底热敏电阻相当。

机械弯曲性能

在3mm弯曲半径下进行1000次循环测试，Ag基器件仅出现7%电阻变化，且弯曲后仍保持热响应功能（TCR从-1.5×10^-2变为-3.0×10^-3 °C^-1）。Al基和Zn基器件分别在第300次和266次循环后失效，归因于Al₂O₃和ZnO天然氧化物的脆性断裂。Ag基器件因氧化 negligible 而展现优异机械耐久性，光学显微镜观察未发现裂纹或分层现象。

气体传感能力探索

针对NO₂气体检测（1-50ppm浓度范围）显示：Zn基器件响应率64.73%（50ppm时），但存在高标准差；Ag基器件呈现基线漂移但响应率达467.64%；Al基器件响应不稳定。虽然当前结果表明显著的气体传感潜力，但需进一步研究以优化选择性和稳定性， particularly 针对呼吸诊断应用（人体呼气中NO₂作为哮喘生物标志物）。

循环利用策略验证

采用60°C去离子水溶解18天的EoL策略，成功去除PVA平面化层和IGZO功能层（Ag电极残留需额外清理）。在 reused PEEK织物上重新涂覆PVA并制备第二代Ag基热敏电阻，其TCR为-6×10^-3 °C^-1（R2=0.99），虽比第一代衰减60%，但仍保持可靠热响应功能。Al基和Zn基器件溶解实验显示类似可行性，证明该策略适用于不同电极材料体系。

结论

本研究首次实现了在生物相容PEEK织物上集成全回收IGZO基热敏电阻的技术路线。通过优化PVA平面化层工艺（1分钟浸泡）和室温溅射技术，获得WVTR超1281 g/m2h的透气器件。Ag基器件展现最佳综合性能：TCR达-1.5×10^-2 °C^-1，机械弯曲1000次后仅7%性能变化，NO₂气体响应显著，并通过水溶解实现衬底重复利用。未来研究将聚焦于：①采用天然纤维基底（棉、竹、麻）进一步降低碳足迹；②扩展温度检测范围适应户外环境；③优化机械结构降低弯曲后灵敏度衰减；④深化NO₂传感校准用于医疗诊断。该工作为短周期使用、可回收贴片式智能纺织品提供了创新解决方案，推动柔性电子向环境友好方向演进。

实验方法

PEEK织物特性：商用PEEKTEX IEM 17-195/70织物，重量11×10^-4 g/cm2，编织结构1:1，经纬线间距分别为270μm和251μm。

PVA浸涂研究：通过称重法计算RAR，悬垂刚度仪测试弯曲刚度，水杯称重法测量WVTR。

电子制备：DC溅射100nm金属电极（Al、Zn、Ag），RF溅射50nm IGZO，阴影掩模 patterning。

性能表征：密封腔室内进行温度循环（25-60°C）和NO₂气体测试（1-50ppm），定制弯折机进行机械测试（3mm半径）。

溶解实验：60°C去离子水搅拌18天，清除残留后重新涂覆PVA制备第二代器件。