《Sci. Adv.》基于氧化化学气相沉积工艺的PEDOT织物传感器

文章标题：Binder-free printed PEDOT wearable sensors on everyday fabrics using oxidative chemical vapor deposition

第一作者：Michael Clevenger

通讯作者：Sunghwan Lee

通讯单位：Purdue University, West Lafayette

撰稿：ZXH

背景介绍

基于纤维织物的传感器有望成为下一代智能可穿戴设备的支柱。在过去，浸涂法（dip-coating）是制作纤维表面功能涂层的主要方法。这种方法虽然简便，但是加工质量低，且涂层的厚度尺寸难以精确控制。有鉴于此，普渡大学的Sunghwan Lee团队与来自韩国标准科学研究院（KRISS）、韩国科学技术高等研究院（KAIST）的研发人员合作开发了一种基于氧化化学气相沉积（oCVD）的涂层加工方法，实现了PEDOT聚合物在纤维表面精确的图案化沉积。利用 oCVD PEDOT 优越的电学与力学特性，研究人员成功研发了一种高精度的、用于血压和呼吸频率监测的织物传感器。该研究在《Science Advances》期刊上发表。

研究进展

与传统的dip-coating方法相比，oCVD 技术能够在纤维上沉积出具有复杂结构的聚合物涂层，且加工质量不受纤维表面疏水性的影响。图1A阐释了oCVD的详细加工原理：EDOT 单体被蒸发并进入腔室，其中单体与升华的 FeCl₃氧化剂反应。如图 1B 所示， 通过oCVD沉积工艺， PEDOT涂层被成功沉积到聚酯织物上，并形成字母 “P” 形状的图案。沉积聚合物的FTIR光谱如图 1C 所示，其中：沉积在织物与硅衬底上的 PEDOT 薄膜之间的光谱峰位置高度相似，说明 oCVD PEDOT 在织物上合成良好。如图1D-E所示，沉积在织物上的 PEDOT具有良好的力学稳定性与透气性，在经历100次弯曲循环测试后，各项电学参数未出现明显变化。

图1.oCVD PEDOT 的表征：(A) oCVD 工艺示意图；(B)织物上图案化的 oCVD PEDOT；(C) FTIR 光谱；(D) 导电性与抗弯曲性测试；(E) 透气性测试。

气相oCVD 工艺能够在诸多基材沉积均匀的聚合物薄膜，对于制造高精度织物传感器具有很大的优势。如图 2A-B 所示，研究人员使用oCVD 工艺，成功地在不同织物材料（尼龙、聚酯、棉）上沉积了均匀的PEDOT薄膜。相比而言，通过dip-coating沉积的PEDOT: PSS薄膜的厚度与导电性显著不足，这与不同基底表面的湿润性差异有关。

图2.oCVD PEDOT 与基于溶液沉积的 PEDOT: PSS 之间的比较：(A) 两种涂层包覆的织物图像；(B)两种涂层的电阻差异；(C) 涂敷在聚酯基底上的两种涂层在经历100 次弯曲后的 SEM 图像；(D) 两种涂层在弯曲测试试验期间的电阻变化。

如图3A所示，研究人员通过oCVD工艺将PEDOT薄膜沉积到市售一次性手套上，开发了一种具有高度灵敏性的可穿戴压力传感器，并研究了传感器在0.1V电压偏置下电流变化（图 3B-E）。当向 PEDOT 薄膜中心施加 1.8 kPa 的压力时，输出电流增加了 1400%。所开发的传感器结构简单、未使用任何复杂、昂贵的参杂剂。图 3F显示了oCVD PEDOT 传感器的详细工作原理。与其他典型织物一样，传感器由 “经线” 和 “纬线” 纤维组成，两者垂直重叠。在不施加压力的情况下，电流仅能在每根纤维的内部流动。当施加压力时，经纬线的PEDOT涂层的紧密接触，从而产生了额外的导通路径。在这种情况下，电流不仅可以流过单根纤维，也可通过接触区域流至与其重叠的其他纤维，从而使回路总电阻显著减小、实现压力感应的功能。此外，PEDOT聚合物的具有高度的弹性，可以在撤除压力后迅速恢复至原状。

图3.在手套上制作的oCVD PEDOT的血压传感器：(A)传感器的示意图和实物图；(B)传感器 在1.8 kPa 压力、0.1V电压偏置下的瞬态电流曲线；(C) 在不同压力下产生的电流变化、 (D) 响应与 (E) 恢复时间；(F) 传感器的工作原理；（G-J）传感器在不同身体部位的压力记录。

呼吸频率是一个重要的生理健康指标，能够用于辅助诊断严重的呼吸系统疾病，如心肺骤停、慢性心力衰竭或肺炎。如图 4A所示，针对此功能需求，研究人员在市售一次性口罩上制造了 oCVD PEDOT传感器。图4B-D显示：该传感器能够准确感应受测人员在不同运动状态下的呼吸状态。在实际使用中，由于受外部干扰，传感器可能会产生不可忽略的输出波动，因此应当在后续信号处理的过程中加以矫正去噪，以提取出精确的呼吸信息。测试结果表明：这种口罩传感器能够准确区分出正常与异常呼吸频率之间的差异，有望在未来应用于呼吸系统性疾病的便携式诊断。

图4. 在口罩上制作的oCVD PEDOT呼吸频率传感器。(A) 传感器的示意图与实物图；(B-D) 传感器对不同人体状态下（正常、运动、休息）的呼吸监测图。

本研究探讨了oCVD 方法在多种织物基底上的沉积质量。通过改变沉积时间与温度，可以将聚合物涂层的厚度控制在 10 至 1000 nm 之间。与传统的dip-coating方法相比，oCVD PEDOT 具有良好的力学性能与透气性。在此基础上，研究人员将oCVDPEDOT传感器加工于市售手套与口罩之上，实现了精确的脉搏监测与呼吸监测。后续的研究应当重点延长该种织物传感器的使用寿命、并提升其耐洗涤性能。

免责声明：本公众号旨在分享科研信息和传递科研资讯。如涉及版权问题，请尽快与后台联系，我们将及时进行修改或删除。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系本公众号或下方邮箱。

转载/合作/课题组投稿

联系邮箱：xianweishuo2021@163.com