摘要

超薄金纳米线具有机械柔性和鲁棒性，是未来可穿戴光电器件中潜在应用的新型构件。在这里，我们报告了一种高效、低成本的制造策略，即通过将超薄的金纳米线浸渍纸巾夹在两片薄薄的聚二甲基硅氧烷片之间来构建高度灵敏、灵活的压力传感器。整个器件制造过程是可伸缩的，可以方便地进行大面积集成和图案化，以绘制空间压力分布图。我们的基于金纳米线的压力传感器可以在1的电池电压下工作。5V，能耗低（o30mW），能够检测低至13 Pa的压力，响应时间快（o17 ms），灵敏度高（41.14 kPa？1），稳定性高（450000次加载-卸载循环）。此外，我们的传感器可以解决压力、弯曲力、扭转力和声学振动。优越的传感性能与机械灵活性和鲁棒性相结合，实现了对血液脉冲的实时监测以及对音乐产生的小振动力的检测。

目的和意义

可穿戴和轻便的压力传感设备对于未来的各种应用至关重要，例如电子皮肤、触摸式柔性显示器、软机器人和能量采集。迄今为止，压力传感器通常基于电容、压电性、摩擦电性和电阻率的力诱导变化。近年来，各种纳米材料，包括纳米线、碳纳米管、聚合物纳米纤维、金属纳米颗粒和石墨烯，已被用于设计新型柔性压力和应变传感器。这些基于纳米材料的压力传感器大多基于电容或压电性，但最近的一些报告除外，其中电阻率用于设计应变计传感器。电阻式压力传感器的优点在于设备制造简单，操作能耗相对较低。尽管前景看好，但迄今为止，基于电阻率的柔性压力传感器的成功案例报道有限.

最近开发的超薄金纳米线（AUNW）（宽度约2 nm，长宽比>10000）具有机械柔性但坚固耐用，可用于构建新型超晶格纳米膜和柔性透明电极。尽管超薄AuNWs具有优异的机械和电气性能，但尚未用于设计柔性传感器。

在此，我们证明了AuNWs浸渍的纸巾可以夹在空白PDMS板和具有交错指状电极阵列的图案化PDMS板之间，从而获得优异的耐磨压力传感器。通常，灵敏度可以达到1.14kPa-1，这与最近报道的有机晶体管压力传感器的记录相当。此外，我们的传感器可以在0.05s范围内响应压力变化，频率高达5.5Hz。我们观察到50000次循环中的加载-卸载信号变化可以忽略不计。值得注意的是，使用可扩展的湿化学处理步骤，可以轻松地以低成本大量制造关键传感元件AuNWs浸渍纸巾。这使得空间压力映射的简易largearea制造和图案化成为可能。此外，我们基于AuNWs的压力传感器可用于检测高灵敏度的压力、弯曲力和扭转力，使其能够用作腕部传感器和低功耗的振动传感器（工作电压为1.5 V时为<30uW）。这些性能与最近报道的压力传感装置相当，同时具有成本低、装置制造简单以及检测各种力信号的多功能性的优点。

材料和方法

设备制造。图1a显示了基于AuNWs的压力传感器的制造过程。首先，按照最近报道的方案合成高质量的AuNWs，并将其浓缩到约11 mg ml-1的储备溶液中。请注意，AuNWs是超薄的（宽度仅约2 nm，与典型的聚合物链宽度相当），但长度为数十微米，对应的纵横比大于10000。此外，AUNW具有机械坚固性和灵活性，具有弯曲结构而不断裂（补充图1）。

将其集成到压力传感器后为1±52 k（补充图2）。光学显微镜和扫描电子显微镜均显示AuNWs均匀沉积在组织纸上（补充图3）。最后，将AuNWs浸渍的纸巾夹在500mm厚的空白PDMS板和具有交指电极阵列图案的PDMS板之间（补充图4）。PDMS表面在夹持之前经过等离子体处理，使其与纸巾保持适形接触并牢固粘合（补充图5）。由于卫生纸和AuNWs的柔性，这种制造的设备是可穿戴和可弯曲的（图1b，c）。

传感机制是由于AUNW和叉指电极阵列之间的压力依赖性接触。与大块刚性平面金属不同，软组织纸具有多孔和粗糙的表面，表面有毛茸茸的毛。AuNWs桥指电极对的数量取决于施加的外力。施加外部压力时，纸巾的小压缩变形使更多的AUNW与手指电极接触，从而形成更多的导电路径（图1d）。当固定施加1.5V电压会导致电流增加。卸载时，PDMS和纸巾都恢复到其原始形状，减少了桥接手指电极对的AUNW数量，因此导致电流减少。

图1 基于AuNWs涂层的压力传感器。（a） 柔性传感器制造示意图。（b） 显示传感器可弯曲性的照片。（c） 金纳米线包覆组织纤维形态的扫描电子显微镜图像（比例尺，100mm）。（d） 感应机构的示意图。（e） 加载和卸载响应的电流变化（Ioff：卸载，Ion：加载）。

循环试验和灵敏度。为了测量基于AuNWs的传感器对静态和动态机械压力的响应，设计了一个包含计算机控制的步进电机和力传感器的自制系统（图2a）。这种系统可以提供高达50 kPa（静压）和3 kPa（动压）的外部压力，同时记录电信号。我们基于AuNWs的压力传感器对高达50 kPa的静压表现出稳定的响应，并且在每个压力下的阻力都是恒定的（补充图6）。对于动态力测量，我们以3 Hz的频率在各种压力下进行了多次加载-卸载测试。约10000次循环后，传感器性能在500–3000 Pa的不同压力下变化不大（图2b）。

我们进一步证明了我们的AuNWs压力传感器在2500 Pa压力下，频率为2 Hz时的高耐用性（图2e）。请注意，在50000次加载-卸载循环后，高信噪比得到了很好的保持，电流振幅的变化可以忽略不计。弯曲试验中也证明了高稳定性，并且在曲率半径为30 mm的情况下重复弯曲5000次以上后，装置灵敏度未显示出明显变化（补充图9）。

图2 |传感性能评估。（a） 实验装置示意图。（b） 以3 Hz频率重复加载-卸载循环后的灵敏度。（c） 电流对各种压力的响应。点线是一种线性回归，其灵敏度为B1。14千帕。（d） 电阻在各种应变下发生变化。可通过线性拟合得出规范系数gfn。（e） 在2500 Pa压力下以2 Hz频率进行耐久性试验。每10000次循环后记录电流变化曲线，每次记录200次循环数据。（f） 10000次加载-卸载循环后I–T曲线部分的放大图。

图3 |压力分辨和时间分辨响应。（a，b）分别以1 Hz和2 Hz的频率，在400–550 Pa范围内，对输出信号进行压力解析测量，作为施加压力的函数。（c） 显示600 Pa动态压力下频率响应的曲线图：压力输入频率为1.3和5.5赫兹。

图4 |低压和高压范围下的动态压力响应。（a） 三个施加压力（13,23和37 Pa）下电流响应随时间变化的曲线图（压力输入频率：0.5 Hz）。（b） 在75–2600 Pa范围内施加压力时，传感器电流响应随时间变化的曲线图（压力输入频率：1 Hz）。

时间分辨响应 为了检查传感器对外力的响应时间，将输出电流信号与频率为1–5.5Hz（图3）。的动态压力输入进行比较。在低频（1–2 Hz）下，电流波与400 Pa压力下的输入压力波几乎相同。此外，以1、3和5.5Hz的频率将施加压力增加到600 Pa（图3c）。输出电信号保持稳定，振幅变化不明显。在1 Hz的600 Pa压力下观察到可忽略的滞后现象（补充图10a，b），其随着频率的增加而增加，直到0.05秒5.5赫兹。这种滞后现象可归因于传感器在加载-卸载过程中的弹性变形以及PDMS层的粘弹性效应。然而，随着力频率的增加，带宽和线型几乎保持不变。在1600至0 Pa的突然卸载过程中也观察到类似的快速响应时间（补充图10c），其中获得了17 ms的响应时间。

压力解析响应。为了估计我们基于AuNWs的传感器对动态力的压力范围，将最小位移仅为1mm的压电步进定位器应用于传感器。如图4a所示，可检测到13 Pa的压力，相当于10 mm2表面上水滴（B13ml）的重量。在较高的压力范围内，可以观察到高达2600 Pa的无噪声、稳定的连续响应（图4b）。

检测其他类型的机械力。除了压力之外，我们的压力传感器还可以同时检测弯曲力和扭转力。值得注意的是，响应曲线是同一装置每种机械力的特征曲线（图5和补充电影1）。在所有三种类型的力测量中都观察到高信噪比，进一步证明了我们的AuNWs压力传感器的高灵敏度。该装置还表现出对各种弯曲力是稳定线性响应。

图5 |其他类型机械力的检测。（a–c）显示动态加载和卸载循环当前响应的曲线图：（a）按压，（b）弯曲和（c）扭转。

腕部脉冲检测。我们基于AuNWs的压力传感器是可穿戴的，可用于实时监测人体桡动脉的血压（图6a）。如图6b所示，在正常情况下（每分钟约66次）和体育锻炼后（每分钟约88次）都可以准确读出腕部脉冲。请注意，两种情况下的脉冲幅度和频率明显不同。在正常情况下，获得了典型的桡动脉脉搏波形，具有两个明显可区分的峰值（p1和p3）和一个晚期收缩增宽肩部（P2）（图6c）。上述结果表明，我们基于AuNWs的压力传感器可以识别出脉搏的细微差异，这表明它有可能作为一种可穿戴诊断设备，在各种条件下实时监测人类健康。

声振动检测。我们基于AuNWs的系统也可用于检测声振动。为了证明这种能力，我们将传感器连接到海绵上，并将其放置在靠近扬声器的位置，固定间距从几毫米到几十毫米（图6d）。有趣的是，来自音乐和重复声音的微小振动力可以被精确解析。请注意，当传感器距离扬声器30 mm时，可以检测到伴随声振动振幅和频率的可靠电流信号。即使当音量降低到20%时，仍然可以获得清晰的电流波（图6f）。

图6 |实时和现场手腕脉冲和声音振动。（a） 显示腕部动脉正上方皮肤可连接传感器的照片（比例尺，3厘米）。（b，c）在正常（每分钟66次）和运动条件下（每分钟88次）测量心跳的体力。（d） 声学振动感应设置示意图。（e） 电流对音乐声振动的反应。（f） 当前对定期单击鼠标产生的声音振动的响应。请注意，测试了三种不同的音量（20,50和100%）。

结论

总结，我们开发了一种简单高效、低成本、自底向上的方法，利用超薄、高深宽比的AuNWs制造可穿戴、高灵敏度的压力传感器。这种新型传感器的灵敏度大于1。141kPa-1，快速响应时间<17 ms，在450000次循环中具有高稳定性，在电池电压为1的情况下运行时，功耗小于30uW。5 V。使用这种新型传感器，我们可以在较宽的压力范围（13～50000 Pa）内检测动态力，并能够解决各种复杂力，包括压力、弯曲、扭转和声振动。这些属性使我们能够实时、实时地监测来自桡动脉血液脉冲和声学振动的真实力信号。值得注意的是，整个器件制造过程是可扩展的，无需复杂和昂贵的设备。我们相信，我们的方法为低成本压力传感器开辟了一条新途径，有可能轻松集成到未来的可穿戴电子产品中，如柔性触摸显示器、人机接口设备和人造皮肤。

Reference:

A wearable and highly sensitive pressure sensor with ultrathin gold nanowires. Somayeh Imani, Amay J. Bandodkar, A.M. Vinu Mohan, Rajan Kumar, Shengfei Yu , Joseph Wang & Patrick P. Mercier