可穿戴柔性电子应变传感器进展及其应用研究

柔性应变传感器作为智能传感技术的核心,具有高柔韧性、高灵敏度、高稳定性等优势。柔性应变传感器与人工智能技术融合,可对人体生命活动所产生的信号进行全方位、多角度、多层次的数据采集,实现在医疗监护、人机交互和电子皮肤等领域的应用。综述了柔性应变传感器的类型,阐述了柔性应变传感器的传感机制以及不同微结构的传感器在检测范围、灵敏度和稳定性方面的优势,梳理了近十年来可穿戴柔性应变传感器的发展趋势和研究进展,就柔性应变传感器在人体运动检测、医疗监护、虚拟现实和电子皮肤领域的应用进行综述,总结了柔性应变传感器亟需解决的关键性问题以及未来发展的动向。     

基于ZnAl-LDH/MWCNT@MXene的柔性压力/温度双功能传感器

锌铝层状双氢氧化物/多壁碳纳米管(ZnAl-LDH/MWCNT)包覆金属碳化物MXene作为复合导电材料制备上下电极,以微结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)为介电层,构建了一种柔性双功能传感器。通过器件输出电容信号监测压力,利用单电极的温阻变化监测温度。该柔性电容式传感器的导电层材料为ZnAl-LDH/MWCNT@MXene,搭配微结构为80目的介电层,其性能达到最优。在0～50 kPa时传感器的灵敏度高达1.57%/kPa。温度传感的灵敏度为2.3%/℃,工作温度范围为20～40℃。该器件实现了压力/温度两种物理量的传感,同时可以运用于人体运动和健康状态的实时检测。解决了柔性传感器功能单一的问题,为柔性传感器实现多功能应用提供基础。     

基于三维导电网络多孔敏感层的柔性电阻式应变传感器

柔性应变传感器在人体运动检测、人机交互等可穿戴领域应用潜能巨大。设计了一种基于三维导电网络多孔敏感层的柔性电阻式应变传感器。基于炭黑(CB)/石墨烯纳米片(GNP)/热塑性聚氨酯(TPU)导电复合材料构成敏感层的三维导电网络。采用非溶剂致相分离法诱导TPU的分离在敏感层内部制造多孔结构。由于高效的协同导电网络和多孔微结构的有效结合，传感器具有较高的灵敏度(应变系数最大为40.66)、较宽的拉伸范围(ε=0～25%)和良好的循环拉伸可靠性。实验表明，该传感器的电阻输出变化在检测手指弯曲/恢复过程中具有较好的对称性，在智能可穿戴领域展示出潜在的应用价值。     

基于电流体喷墨打印直写纳米银浆的柔性应变传感器及其应用

柔性传感器在皮肤信号监测方面应用广泛,但传统印刷工艺难以满足其高精度定位、高黏度墨液印刷的制备要求。利用电流体喷墨打印工艺在高黏度材料制备方面的优势,使用纳米银浆制作用于人体皮肤信息采集的电阻式柔性应变传感器。探索电喷印工艺参数对导电线宽的影响规律,使用内径0.16 mm的喷嘴以30 mm/s的打印速度移动制得宽度120μm的银线。通过实验得出打印速度和喷嘴内径对银线线条宽度和质量的影响规律,利用电流体喷墨打印工艺制备出基于聚二甲基硅氧烷柔性基底和纳米银浆敏感层的柔性应变传感器。利用自主研制的检测系统,测试并计算出传感器应变范围在3%内时灵敏度可达172.67。最后将传感器用于多个人体部位的姿态监测,证明其具有检测微小信号的能力。测试结果证明,电流体喷墨打印工艺可用于制备柔性应变传感器,制得的柔性应变传感器在智能穿戴设备上具有应用潜力。     

D型环光子晶体光纤表面等离子体共振传感器

提出了一种中红外波段宽范围低折射率检测的D型环双芯光子晶体光纤表面等离子体共振传感器。该结构为一个D型环,并在其内外表面都沉积一层金属层。采用全矢量有限元方法分析了该传感器的性能。结果表明,该传感器可以在中红外波段实现低折射率传感,并具有高传感灵敏度特性。分析物的折射率可检测范围为120～138,平均波长灵敏度和最大波长灵敏度可分别达到13717nm/RIU和21150nm/RIU,分辨率可达到194×10-5 RIU。该传感器可在化学、生物以及环境检测等领域有重要的应用。     

CO2激光刻写长周期光纤光栅与光纤MZ结构的双参数传感特性

为了实现温度与应变的双参数高精度传感测量,提出了一种CO2激光刻写长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating,LPFG）与光纤马赫-增德尔（MZ）干涉型结构的光纤传感器,利用CO2激光刻写制作LPFG并利用错位熔接法制备光纤MZ结构,将二者级联并实时监测温度及应变变化时的透射谱变化,研究了其传感原理并验证了其温度及应变传感特性。实验结果表明:该双参数光纤传感器的LPFG仅对温度敏感,MZ干涉结构对温度和应变都敏感;在温度范围35~70℃时,LPFG特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度39.17 pm/℃;MZ干涉结构特征波长升温灵敏度38.57 pm/℃,降温灵敏度为37.50 pm/℃;当应变范围0~450 时,MZ干涉结构加载灵敏度4.01 pm/,卸载灵敏度为4.24 pm/。为温度和应变的实时测量提供了一种灵敏度高、线性度好的光纤传感器。     

MXene 柔性压力传感器的制备与性能

柔性压力传感器作为一种新型的压力电子器件已经在医疗健康监测、智能可穿戴的电子设备、人机数据交互平台等领域广泛应用。采用磁控溅射法制备叉指电极,通过湿法腐蚀法获得MXene胶体溶液,利用压电式按需喷印技术将MXene胶体溶液覆盖在叉指电极的上方,从而完成压敏活性层的制备。利用扫描电子显微镜(SEM)对MXene压敏活性层的形貌进行表征,结果表明压敏活性层表面平滑整齐、成膜均匀、结构清晰。对制备的柔性压力传感器进行灵敏度检测。结果表明当压强在0～5 kPa的区间内时,传感器具有较高的灵敏度,为0.139 kPa^-1。最后对该传感器进行人体运动传感性能测试。结果表明该MXene柔性压力传感器有望在可穿戴电子以及医疗监测领域广泛应用。     

基于石墨烯超材料的太赫兹五频段折射率传感器

针对目前太赫兹折射率传感器波段单一且灵敏度低的问题,提出一种基于石墨烯超材料的五频段折射率传感器。通过CST电磁仿真软件对传感器结构进行模拟仿真,确定了可以同时提高吸收率和灵敏度的特征尺寸。与传统超材料折射率传感器相比,通过调整石墨烯层的化学势和弛豫时间即可实现石墨烯吸收体的可调谐性。仿真结果表明,该折射率传感器在频率为4.535、6.368 1、8.253、10.395和11.321 THz时达到折射率吸收峰值,吸收率分别为92.2%、99.5%、99.9%、90%和99.1%,且5个波段中最高折射率灵敏度为436 GHz/RIU。与其他折射率传感器相比,该折射率传感器波段多且灵敏度高,具有良好的传感性能,可应用于光学检测、医学成像、生物传感等领域。     

基于双芯光子晶体光纤耦合微扰传感器

为了实现高精度温度传感的目的, 设计了一种新型双芯光子晶体光纤耦合微扰传感结构, 采用有限差分光束传播法对该结构的传感特性进行了分析。利用RSOFT软件的Beampronp模块对该传感器特性进行了仿真研究。结果表明, 在满足双芯耦合条件下, 折射率灵敏度可达7000nm/RUI; 耦合间距灵敏度可达2;在填充液体为乙醇时, 该传感结构可实现温度范围为278K~338K的检测, 在该范围内的灵敏度可达4nm/K。该传感器检测线性度高、工艺简单, 对其它相关传感器的研究有一定帮助和意义。     

浮空器柔性复合蒙皮形变光纤布拉格光栅传感器应变传递特性

为提高浮空器气囊蒙皮形变光纤布拉格光栅监测的应变传递效率,研究了柔性复合蒙皮光纤光栅应变传递特性。针对柔性复合蒙皮材料结构特征,建立了“光纤光栅—粘贴层—蒙皮结构”三层应变传递模型,推导出应变传递变化函数,通过解析方法和有限元方法对光纤光栅传感器各点应变传递率进行了计算,并分析了粘贴层及蒙皮结构相关参数对应变传递率的影响,得出表面粘贴式光纤光栅传感结构最佳封装参数。研究结果表明,对于传感器中部的应变传递效率,解析和数值方法计算误差小于5%,当粘贴层弹性模量为0.5 GPa、粘贴长度为40 mm、粘贴宽度为6 mm、上下粘贴层厚度分别为0.2 mm和0.1 mm时,光纤光栅应变传递模型封装参数优化后的应变传递率可达97.04%,可满足浮空器气囊形变监测的灵敏度要求。