基于离子凝胶微针阵列的智能消防安全可穿戴电子器件

MEMS 2023-12-10 00:02

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离子凝胶为柔性电子器件提供了创新的应用与未来前景，涵盖可穿戴电子器件、软机器人和智能系统等领域。用于柔性电子器件的离子凝胶受压力、温度、湿度和溶剂等因素影响时需要保持良好的导电性、结构稳定性、加工兼容性和灵敏度。尽管柔性传感器器件的微型化、集成化和无线操作等特点提高了其灵敏度，增加了器件的选择性、舒适性和便利性，但也带来了制造方面的挑战。因此，当前离子凝胶传感器面临的关键问题是开发性能优异的离子凝胶，明晰离子凝胶传感器的内在传感机制，最终推动微型集成柔性传感器件的创新应用。

近期，中国科学技术大学桂宙教授和朱纪欣教授团队在Advanced Fiber Materials期刊上发表了题为“Unlocking Intrinsic Conductive Dynamics of Ionogel Microneedle Arrays as Wearable Electronics for Intelligent Fire Safety”的研究成果。该研究详细报道了一系列高性能离子凝胶材料，利用密度泛函理论计算、分子动力学模拟，以及原位温度依赖光谱技术揭示其内在传感机制。此外，研究团队还制备了一系列可定制结构的仿生微针离子凝胶器件。基于这些成果，他们还开发了实时智能监测系统，通过物联网、短程无线通信和智能移动应用技术的集成，实现了智慧消防安全双效预警。中国科学技术大学郑亚鹏博士研究生为本文的第一作者，桂宙教授与朱纪欣教授为共同通信作者。

图1为离子凝胶的结构和形态，其分子结构包含多种动态键，尤其是氢键和离子键，这些非共价相互作用形成自发变化和可逆过程，在可穿戴电子器件中显示出非凡的应用潜力。研究团队通过紫外线（UV）固化技术进行原位光聚合反应，成功制备了一系列具有优异机械性能的离子凝胶，包括高拉伸性（伸长率约为794%）、高耐压性（变形率约为90%）、高机械强度（拉伸强度和压缩强度分别为约2.0 MPa和约16.3 MPa）以及出色的透明度（透光率> 91.1%）。此外，研究团队选择了具有代表性的溶剂进行溶胀试验，评估并证实了离子凝胶在不同环境条件下的耐受性。

图1 离子凝胶的结构和形态

图2 离子凝胶的机械和电学性能表征

研究团队通过微电子印刷技术在银电极上实现离子凝胶的印刷，制备了微型柔性电子器件。离子凝胶器件的电阻变化受温度范围影响，随着温度的升高，柔性器件的电阻显著降低。在30℃ ~ 45℃的温度范围内，离子凝胶器件的热敏系数（Tcr = -2.074%，R² = 0.993）较高；经历连续循环多次升降温后，其电阻变化基本保持一致，表明其具备优异的温度传感稳定性。

图3 离子凝胶的机械和电学性能表征

受微针贴片技术的启发，研究团队结合数字光处理（DLP）3D打印、模具铸造和原位光固化技术（图4a），开发出一系列可定制结构的离子凝胶器件，如微圆柱形、微半球形、微球形和微金字塔形的微针阵列结构，结合有限元分布模拟证实了热行为和机械稳定性（图4b ~ 4i）。通过将数字电极与仿生微针结构离子凝胶相结合，制备出灵活的柔性传感系统。

为了验证柔性传感系统在实际应用中的可行性，研究团队开发了基于可穿戴安全器件的实时智能监控系统，可实现实时信号采集、处理和温度传输，并通过物联网、短程无线通信和智能移动应用技术的集成进行无线监测。如图4j ~ 4p所示，该系统能够实时无线探测和监测外部环境或人类活动产生的热刺激。无线可穿戴监测系统包括：信号采集模块、控制电路模块、中央处理器即单片机、无线蓝牙传输模块以及智能手机APP实时接收模块。系统获取安全装置电阻的变化并转换为输出电压信号，传送到微控制器；微处理器处理收集到的信号，并通过蓝牙模块传输；蓝牙接收器将传感器的数字信号转换成数据，通过智能手机APP实时分析和显示。研究团队成功展示出该系统在实际应用中的可行性（图4），包括实时监测外部火焰接触点温度，以及在不同状态（正常、预警、报警状态）下智能视听双效警报系统的效果。