静电纺丝制备柔性传感器之气体传感器

柔性传感器已广泛用于各种类型的电子设备中。它们的优势在于其高度的灵活性，适应各种复杂环境的能力以及广阔的发展前景。具有纳米材料的柔性传感器具有更大的比表面积，可以进一步提高传感器性能。有几种制造纳米材料的方法。其中，静电纺丝提供了一种低成本，大规模的制备柔性纳米纤维的方法。可以在电纺过程中调节纤维的形态以获得不同的结构。电纺纤维膜很容易附着在电极材料上，从而简化了传感器的组装步骤。

通过静电纺丝可以制备出各种能够响应外部环境的材料，包括温度，电磁场，压力，光，湿度，pH ，和毒品等。某些材料的表面润湿性可以通过电纺丝来改变，这扩大了相关材料的应用范围。而且，电纺纤维膜具有高孔隙率和良好的透气性，可用于医疗领域。由于这些原因，静电纺丝在各种电子设备如可穿戴设备中具有广阔的应用前景。

接下来，我们就介绍下其在气体检测方面的应用。

由于其结构优点，如较大的比表面积和高孔隙率，允许快速的气体检测，纳米导电纤维膜非常适合用作气体传感器。氧化锌具有特殊的形状，并广泛用于各种类型的传感器中。科学家制备了用于气体传感器的梳状ZnO纳米纤维。以Au为催化剂，以锌粉为原料，通过化学气相沉积法得到梳状的ZnO纳米纤维。样品在室温下对CO表现出良好的响应。之后对传感器进行改进，以提高传感器的灵敏度。通过电纺丝技术，使用聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP），通过静电纺丝技术制备了PEDOT：PSS / PVP复合纳米颗粒。如图1（a）和1（b）所示，该纤维对CO表现出良好的敏感性。氨气传感器也由此制备出来。将聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）溶解在四氢呋喃（THF）中以进行电纺丝以获得PMMA纳米纤维膜。通过在纤维上原位聚合聚苯胺获得良好的氨气敏感性，如图1（c）和1（d）所示。还通过静电纺丝制备湿度传感器，通过电纺和煅烧得到的钛酸钡（BaTiO3）纤维表现出良好的湿敏特性，如图1（e）和1（f）所示。

图1. （a）PEDOT：PSS / PVP复合纳米纤维对CO的响应。（b）PEDOT：PSS / PVP复合纳米纤维对不同浓度的CO。（c）响应不同浓度氨的聚苯胺/ PMMA纳米纤维。（d）聚苯胺/ PMMA纳米纤维的敏感性。（e）BaTiO3纤维的湿度响应。（f）BaTiO3纤维的恢复性能。

纳米纤维的直径影响其传感性能。研究人员证明，可以通过减小纳米纤维直径制备超细纤维来提高其传感灵敏度。以聚乙烯醇（PVA），PEDOT：PSS为前体，添加负高压电源以增加电纺丝工艺的电压，并通过气流辅助成功制备了超细纤维。如图2所示，该纤维的平均直径为68 nm，并且比常规电纺纤维对氨更敏感。

图2.（a）超细纤维的SEM图像。（b）超细纤维的粒度分布。（c，d）传统电纺纤维的氨响应曲线。（e，f）超细纤维的氨反应曲线[31]。

研究人员还通过海藻酸钠中的钠离子与硝酸银中的银离子之间的离子交换并原位还原制备了Ag /藻酸盐纳米纤维。纳米纤维在环境相对湿度为20％至环境相对湿度为85％时表现出良好的湿度响应特性。将其放置在面罩上，以监测呼吸的深度和频率，甚至可以区分呼吸是高兴还是悲伤，如图3（a）-3（d）所示。这将在交互式系统的方向上扮演重要角色。该传感器监控睡眠期间的呼吸，并清楚地区分正常（NB）和难呼吸（HB）状态，从而在呼吸暂停期间提供警报和及时的帮助，如图3（e）和3（f）所示[18]。

图3.（a）结合传感器的口罩照片。（b）在正常和运行状态下的响应。（c）在欢乐状态下的反应。（d）悲伤状态下的反应。（e）睡眠状态下的反应。（f）在正常呼吸（NB）和呼吸困难（HB）情况下的反应。