银纳米线包覆织物构建超灵敏可穿戴压力传感器

摘要

柔性压力传感器因在可穿戴人体健康监测与护理系统的潜在应用备受关注。本文提出一种利用银纳米线（AgNW）包覆织物制备全纺织基压阻式压力传感器的简易方法。充分利用纤维/纱线/织物多层级接触协同效应，实现0-10 kPa灵敏度3.24×10⁵ kPa⁻¹、10-100 kPa灵敏度2.16×10⁴ kPa⁻¹。器件响应/弛豫时间快（32/24 ms），稳定性高（>1000次加载/卸载循环）。该高性能全纺织压力传感器有望应用于智能服装、活动监测、医疗健康设备。

引言

可穿戴电子学发展催生对柔性压力传感器的旺盛需求，应用涵盖电子皮肤、健康监测系统、智能机器人等。实际应用要求传感器具备优异灵敏度，为精准诊断/分析提供充分信息。

为提升传感器性能，研究者优化纳米材料：碳纳米管（CNTs）、石墨烯纳米片、金属纳米线、导电聚合物及其复合材料。银纳米线（AgNW）因优异电学性能广泛用作敏感材料或导电填料。如Wang等制备AgNW填充PU膜柔性压力传感器，<30 Pa灵敏度5.54 kPa⁻¹；Ho等制备透明裂纹增强压力传感器，双层PDMS膜嵌AgNW微流体通道。但多数传感器采用气密弹性基底，不透气、穿戴不适，限制实际应用。

近年纺织基压力传感器因柔软、透气、生物相容性好，耐用且适合长期穿戴而受关注。AgNW广泛用作纺织传感器敏感层。典型结构为柔性电路覆导电织物，利用电路与织物间接触电阻变化感压。施压时两膜接触产生显著电流。如Wei等演示双层AgNW包覆棉布可穿戴压力传感器；Zhou等设计印刷纺织电极与AgNW包覆棉布压力传感器。但此类结构压力范围受限。为提升性能提出多种结构设计：Zhong等开发超灵敏压阻传感器，POE纳米纤维与AgNW易制法过滤成膜，纳米纤维复刻于不同纤维间距图案尼龙织物。尽管如此，兼具超高灵敏度与结构设计的全纺织基压力传感器鲜见报道。

本文提出全纺织基压力传感器新制备策略：水热法合成AgNW溶液，浸渍涂覆法制备导电织物（棉布浸入AgNW分散液）。有源感测单元含双层AgNW包覆棉布及中间棉网间隔层保证初始接触。感压原理基于外力作用下面对层接触导致电流变化。该全纺织压阻式传感器充分利用纤维/纱线/织物多尺度接触协同效应，实现超高灵敏度（0-10 kPa: 3.24×10⁵ kPa⁻¹；10-100 kPa: 2.16×10⁴ kPa⁻¹），快速响应/弛豫（32/24 ms），高稳定性（>1000循环）。器件在智能服装、活动监测、医疗设备有广阔应用前景。

实验部分

材料与方法

AgNW溶液水热法合成：PVP溶于EG搅拌20 min得PVP/EG溶液；AgNO₃/EG和NaCl/EG溶液同法制备。将AgNO₃/EG和NaCl/EG加入PVP/EG搅拌移入反应釜，140℃反应2 h，再160℃ 30 min，自然冷却至室温。沉淀经丙酮和去离子水多次洗涤离心过滤得白色粉末，超声分散于乙醇得AgNW分散液。

压力传感器制备

“浸渍-干燥”法制备全纺织基压力传感器（图1）。(1) 棉布去离子水和无水乙醇各清洗15 min。(2) 浸入AgNW溶液20 min，90℃干燥10 min（图1a）。(3) 铜电极用导电银浆粘贴于AgNW包覆织物表面，90℃干燥1 h。同时激光蚀刻制备不同孔径棉网间隔层（图1b）。(4) 双层感测织物面对面封装插入棉网间隔层组装完成（图1c）。

表征

GeminiSEM 500（ZEISS，5 kV）拍摄AgNW包覆织物表面SEM图。Keithley 4200数字源表记录电流响应，SJS-500V数字推拉力计测量力值。

结果与讨论

图2展示不同倍率AgNW包覆织物SEM形貌。图2a：棉纱天然层叠多孔结构。图2b：织物最外层表面被AgNW覆盖，纳米线均匀缠绕纤维。图2c：相邻纱线间空隙被AgNW导电网络桥接，观察到长而均匀的纳米线连接相邻纱线，AgNW平均直径约55 nm。图2d：AgNW在纱线主表面均匀形成，局部因粘附差脱离；单根纱线上AgNW间距大于相邻纱线间AgNW间距。

浸渍循环次数调节AgNW表面密度。1次和5次浸渍对比（图S1与图2d）：高密度下纳米线网格间距从1次的<1 μm增至2-4 μm。

能谱分析（EDS，图S2插图）：除棉纤维主成分C、O外检出Ag元素，证实AgNW分布于棉布上。

感压原理见图3a，不同压力下横截面SEM见图3b-e。卸载态初始电阻大，因织物上AgNW未接触（图3b）。施压后相邻织物纳米线纤维级接触增加，电阻下降（图3c）。纳米线完全接触后，持续加压增加纱线级接触。图3d显示纱线Y向长度从~200 μm压缩至~160 μm，确认纱线间压缩。横截面SEM显示AgNW既在纱线表面也在相邻纱线内部（图S3）。压缩纱线使内部AgNW接触进一步降低电阻。压力继续增大，相邻织物被压缩（图3e），织物级接触面积增加进一步降低电阻。此时双层织物总厚度从600 μm减至350 μm。因此传感器感压由纤维/纱线/织物多尺度接触协同效应决定，横截面SEM进一步证实机制。

弯曲对AgNW包覆织物表面形貌影响（图S4）：微小弯曲变形下AgNW网络无明显裂纹剥离（图S4b vs S4a）。500次弯曲循环后SEM（图S5）显示大量分层斑点，潜在器件退化，表明AgNW包覆织物稳定性有待提升。

图4a展示不同压力下传感器I-V曲线：压力0→100 kPa电阻递减，响应稳定符合欧姆定律。图4b不同压力下电流响应相对恒定，显示优异电学稳定性。

相对电流变化（ΔI/I₀）随压力变化曲线（图4c,d）考察不同浸渍次数和网孔直径性能。灵敏度定义S=(ΔI/I₀)/P。网孔直径0.25 mm时，灵敏度强依赖浸渍次数：0-10 kPa范围内浸渍次数1→5时灵敏度从2.12×10³增至1.98×10⁵ kPa⁻¹；10-100 kPa范围内从764增至1.12×10³ kPa⁻¹。高浸渍次数提高AgNW密度是灵敏度提升主因。

网孔直径依赖性：5次浸渍条件下，孔径增大灵敏度增强，10-100 kPa范围内分别为1.12×10³、9.88×10³、2.16×10⁴ kPa⁻¹。增强归因于大孔增加接触面积。但孔径超1 mm（4次浸渍）初始状态面对织物接触增多，显著降低接触电阻（图S6）。间隔层厚度变化亦影响性能（图S7）：薄间隔层初始接触导致ΔI/I₀下降（图S7a）；厚间隔层减少织物接触，1 mm厚度时压力超10 kPa才接触（图S7c）。

传感器呈现两段线性电流响应：低压段灵敏度陡增，高压段缓增。低压段相邻AgNW接触主导电流增加；压力达10-15 kPa时界面AgNW完全接触，电流变化主要由纱线/织物级接触电阻决定，相对稳定。5次浸渍、0.75 mm孔径下纱线/织物级接触增强灵敏度与线性范围（图4d）。

动态响应测试（图5a）：加载/卸载循环下即时响应，响应/弛豫时间分别32/24 ms。不同压力性能（图S8）：可清晰区分50 Pa微小压力。10 kPa下1000循环ΔI/I₀验证重复性（图5b）：优异稳定性。气透性测试：普通棉布787.3 mm/s降至AgNW包覆棉布252.6 mm/s，仍远高于文献报道值，证实高孔隙率保持良好透气性。

得益于织物天然柔性与传感器高灵敏度，器件可穿戴检测脉搏、呼吸等生理机械信号。粘性绷带固定器件于腕部监测脉搏压力（图5c）：实时记录脉率≈72次/分。贴于口罩检测呼吸（图5d）：成人正常呼吸频率10次/分，呈方波，波宽指示吸气维持时间。结果表明高灵敏度压力传感器在可穿戴医疗设备应用潜力巨大。

结论

本工作水热法制备AgNW并表征形貌。插入棉网间隔层于双层AgNW包覆棉布间制备全纺织基压力传感器。得益于纤维/纱线/织物多尺度接触集体效应，传感器具极高灵敏度（0-10 kPa: 3.24×10⁵ kPa⁻¹；10-100 kPa: 2.16×10⁴ kPa⁻¹），快速响应/恢复（32/24 ms），高稳定性（1000循环），宽压力范围（0-100 kPa）。成功演示脉搏压力等生理信号监测。简易高效制备方法将推动超灵敏压力传感器在新一代智能服装、活动监测、医疗设备发展中的广泛应用。

数据与材料可用性

作者声明材料和数据可供读者获取，本文所有结论基于文中呈现的全部数据。

缩略语

CNTs

碳纳米管

AgNW

银纳米线

PVP

聚乙烯吡咯烷酮

EG

乙二醇

NaCl

氯化钠

DI

去离子水

SEM

扫描电子显微镜

EDS

能量色散X射线能谱