穿戴式传感器可以连通物理世界与数字世界，在物联网(IoT)和人工智能(AI)的发展中占有不可替代的地位。然而，随着电子信息技术和微纳制造工艺的不断突破，人们对穿戴式传感器提出了越来越多的需求，如超高柔性、透气性、优异的生物兼容性和多功能集成等，使穿戴式传感技术的进一步发展面临诸多挑战。
近期，电子科技大学张晓升教授课题组在Advanced Fiber Materials上发表了题为"Silk fibroin-based wearable all-fiber multifunctional sensor for smart clothing"的研究成果，报道了一种基于电纺蚕丝纤维实现多传感单片集成新器件，实现“小身材，大用处”。
本工作所提出的蚕丝蛋白基全纤维多功能传感器(AFMS)仅有两层功能结构，即作为结构支撑层和功能传感层的蚕丝蛋白纤维薄膜，以及作为信号输出层的银纳米纤维(AgNW)叉指电极(图1a)，分别采用静电纺丝技术和掩膜喷涂技术制备(图1b)，结构简单可靠、工艺成本低廉。通过图1(c-e)展示的样品照片和表面形貌SEM图像可以看出，AFMS具有优异的柔性以及多孔结构。全纤维配置使AFMS具有良好的透气性，使用蚕丝蛋白使AFMS具有优异的生物兼容性。
图1 AFMS制备工艺流程示意图、器件形貌及表面的SEM照片
当对AFMS施加压力时，会排出纤维结构中的空气(相对介电常数约为1)，使蚕丝蛋白(相对介电常数约为7)的体积比升高，进而导致整体的介电常数增大，即器件电容值增大(图2a)。图2b和2c分别为AFMS在连续压力变化以及不同质量砝码施压下的电容变化，其在0 kPa至10 kPa范围内表现出较高的灵敏度(7.5%/kPa)。图2d为在器件上连续滴加100 μL水滴时引起的电容变化趋势，展现了超低的检测分辨率(约26 Pa)。此外，通过1000次重复压力实验，证明压力传感特性具有可重复性(图2e-2g)。
图2 AFMS压力传感特性的工作机理和性能表征
温度升高促使蚕丝蛋白内部分子活性增强，在电场作用下，分子的偶极排列程度会增强，进而增大蚕丝蛋白的介电常数，即器件的电容值增大(图3a)。温度从26 ℃升高到50 ℃时，AFMS的电容线性增大(图3b)，即AFMS具有线性温度传感特性。通过周期性施加50 ℃热源100次，器件具备可重复的温度传感特性，如图3c和3d所示。
图3 AFMS温度传感特性的工作机理和性能表征
蚕丝蛋白具有很强的吸水性，在潮湿环境中，AFMS会吸收水分子，而水的介电常数(约81.5)远高于蚕丝蛋白的介电常数(约7)，因此，吸收水分子会增大器件整体的介电常数，即器件电容值增大。若在微小液滴组成的水雾环境中工作，则器件会吸收大量水分，大幅提升电容(图4a)。因此，若器件在低湿度环境中(低于60%RH)工作，则蚕丝蛋白纤维薄膜吸收的水分子较少，随着相对湿度的减小，其电容变化较小；若器件在高湿度环境中工作，则蚕丝蛋白纤维薄膜吸收的水分子增多，随着相对湿度的增大，其电容变化较大；而器件在水雾环境中工作，其电容值迅速提升超过350%，如图4(b-d)所示(湿度传感特性同样具有优异的可重复性，见原文)。
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