基于PDMS/CS/AgNW复合薄膜的柔性双功能应变-湿度传感器，用于可穿戴设备监测

《Talanta》：Flexible Bifunctional Strain-Humidity Sensor Based on PDMS/CS/AgNW Composite Film for Wearable Monitoring

柔性可拉伸PDMS/CS/AgNW复合薄膜通过整合湿度响应层与导电银纳米线网络，实现了应变-湿度双功能检测。其PDMS/CS双层基材提供优异可逆形变能力，AgNW涂层实现导电网络构建，在10%-93%宽湿度范围内具有显著可逆电阻变化，可精准捕捉微量水滴及呼吸信号。薄膜在60%拉伸应变下仍保持线性响应与稳定导电性，历经1000次循环仍具良好重复性，适用于动态人体运动监测。

　　

Jian Chen|Wenjing Ruan|Shengxi Du|Wei Xu|Yan Xiong

长江大学物理与光电工程学院，荆州434023，中国

摘要

随着对多功能可穿戴电子产品的需求不断增长，研究重点逐渐转向集成多种传感功能的柔性传感器。本研究开发了一种新型柔性导电薄膜，采用PDMS/CS/AgNW结构，实现了双功能应变-湿度传感。该复合薄膜基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）/壳聚糖（CS）双层基底，具有优异的可逆拉伸性；同时，涂覆在CS表面的银纳米线（AgNW）网络提供了导电性和传感功能。得益于壳聚糖的吸湿和膨胀特性，该薄膜在接触和非接触模式下均表现出显著的湿度响应性，表现为电阻的可逆变化。在最佳AgNW负载量下，该传感器能够精确检测微量水滴。该传感器在10%–93%的宽相对湿度（RH）范围内均能有效工作，并能准确捕捉不同运动状态下的呼吸模式。除了湿度传感外，该薄膜还具备可靠的应变传感能力。其柔韧性和稳定的导电性使其即使在经过1000多次疲劳循环后仍能准确检测弯曲角度和应变。此外，其对称结构设计使得同时区分湿度与弯曲刺激成为可能。这项工作为制造多功能柔性传感器提供了一种简单有效的策略，展现出在可穿戴电子设备和实时健康监测系统中的巨大潜力。

引言

近年来，电子设备的发展速度前所未有。各种电子设备已从平面形式发展到柔性形式[1]，尤其是可穿戴多功能电子设备，推动了人机交互技术的深入发展。这类设备轻便且功能齐全，可以紧密贴合人体皮肤并适应肢体运动[2]。其被动交互方式无需用户主动操作即可收集行为数据和多种生理参数[3]、[4]。传统传感器通常缺乏多功能传感能力且本质上是刚性的，难以附着在弯曲或柔软的表面上，从而严重限制了其在柔性设备中的应用。为克服这一限制，人们通过纳米技术和柔性制造技术致力于开发多功能柔性传感器[5]。这些传感器具有高柔韧性和可拉伸性，可无缝集成到人体皮肤及不同形状和材料的物体表面。它们的多功能性使其能够检测多种外部刺激，如湿度[6]、应变[7]、压力[8]、温度[9]、振动[10]、[11]以及气体[12]、[13]。目前报道的柔性传感器可根据传感机制分为电阻式[14]、[15]、电容式[16]、摩擦电式[17]、磁性[18]、光学等多种类型[19]。其中，电阻式传感器因工作原理简单[20]、制造成本低以及信号处理方便而受到广泛关注。

可穿戴设备和电子皮肤（e-skin）的兴起要求柔性传感器具备更强的功能和性能。在这种情况下，双功能应变-湿度传感器成为检测人体运动[21]、[22]、生理信号和环境信息的关键组件，在健康监测和管理中发挥着重要作用。应变传感器主要依靠拉伸变形和弯曲应变，通常由柔性聚合物基底和纳米级导电材料构成。基底和导电材料的选择直接影响传感器的性能。常见的柔性基底包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、热塑性聚氨酯（TPU）、壳聚糖、纤维素、明胶和聚乙烯醇（PVA）[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。其中，PDMS因其高弹性、透明度和优异的生物相容性而在柔性e-skin应用中脱颖而出[29]。

导电材料的选择同样至关重要。氧化铟锡（ITO）[30]因其高透射率（约90%）和低片电阻（约10 Ω/sq）而在光电设备（如太阳能电池、触摸屏和传感器）中得到广泛应用。然而，ITO的脆性、高加工温度、铟资源稀缺以及与柔性基底的兼容性问题限制了其在低成本、高变形电子设备中的应用。替代材料如聚(3,4-乙二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）、石墨烯、碳纳米管（CNTs）和金属纳米线（AgNWs）也得到了广泛研究[31]。近年来，银纳米线（AgNWs）因其高透射率、导电性和应变下的机械稳定性而成为透明导电电极的理想候选材料[32]。

制备湿度传感器的关键在于选择对湿度敏感的材料，亲水性是必不可少的——它是传感器吸附水分子的关键前提。作为柔性湿度传感器，这些材料还必须具备良好的柔韧性，以应对实际应用中的拉伸和应变情况。因此，选择合适的湿度敏感材料至关重要。壳聚糖是自然界中第二丰富的天然多糖，可从螃蟹或虾壳中提取，其结构与纤维素相似。壳聚糖脱乙酰化后得到壳聚糖（CS），这是一种可用于制备薄膜、纤维和凝胶的天然导电聚合物。其生物降解性、生物相容性和对人体无毒性在生物医学领域受到了广泛关注。基于壳聚糖制备的薄膜继承了其抗菌特性，已被用于食品包装材料、隐形眼镜、人造皮肤等的生产[33]、[34]。

本文介绍了一种新型柔性导电薄膜，采用PDMS/CS/AgNW结构，实现了双功能电阻式传感，能够同时检测应变和湿度。基底由PDMS和CS双层聚合物构成，具有优异的可逆拉伸性。AgNW网络涂覆在CS表面，与CS的湿度敏感层协同作用，实现了“接触式”湿度传感的高灵敏度。制备的复合薄膜对环境湿度也有强烈响应。得益于PDMS/CS双层的柔韧性和可拉伸性，该薄膜在拉伸和弯曲应变传感方面表现出色。这种多功能传感器的成功制备代表了向简单而智能的传感系统迈出的重要一步。

材料

材料

乙酸（CH₃COOH）、氢氧化钾（KOH）和氯化钾（KCl）购自Alfa Aesar Chemical Co., Ltd.（美国马萨诸塞州）。银纳米线（AgNWs）由浙江科创先进材料科技有限公司（中国浙江）提供。甲醇（CH₃OH）和异丙醇（(CH₃)₂CHOH）由天津富宇精细化工有限公司（中国天津）提供。丙酮购自成都科隆化工有限公司（中国成都）。壳聚糖（CS）由Sigma-Aldrich Corporation提供

形态学和光学表征

如前所述，通过改变涂层的层数来调节AgNW的含量，使用Mayer棒进行控制。这种方法实现了对PDMS/CS/AgNW复合薄膜中AgNW负载量的精确控制，从而优化了其导电性。PDMS/CS/AgNW复合薄膜的表面微观结构通过SEM进行了表征，如图1所示。图1a-d分别展示了涂有5层、10层、15层和20层AgNW的薄膜表面形态。

结论

本研究成功开发了一种柔性PDMS/CS/AgNW复合薄膜，并系统研究了其在双功能应变-湿度传感方面的潜力。PDMS、CS和AgNW的结合结合了PDMS的高弹性和生物相容性、CS的湿度敏感特性以及AgNW的优异导电性和机械稳定性，从而制备出性能出色的复合薄膜。

该复合薄膜在湿度响应方面表现出显著优势

CRediT作者贡献声明

Jian Chen：撰写——原始草稿、方法论、实验设计、数据分析、概念构建。Wei Xu：验证、审稿与编辑、监督、方法论、实验设计、资金获取、概念构建。Yan Xiong：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、实验设计、资金获取、概念构建。Wenjing Ruan：方法论、实验设计。Shengxi Du：数据分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中国湖北省教育委员会科学基金（项目编号T2020008）和华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室开放基金（项目编号2024-skllmd-07）的支持。