基于微结构的柔性压力传感器设计、制备及性能

随着科技的快速发展,电子皮肤和柔性可穿戴设备由于在人体运动、健康监测、智能机器人等领域具有重要应用而引起了人们广泛的关注。传统的基于贵金属或金属氧化物半导体的压力传感器成本高、柔韧性差,而新型的基于微结构的柔性压力传感器具有灵敏度高、应变范围宽、低成本、低功耗、响应速度快等优势,在电子皮肤和柔性可穿戴设备等方面发挥重要作用,成为当前柔性电子材料与器件主要研究热点之一。本文系统总结了近年来颇受关注的基于金字塔形、微球形、微柱形、仿生结构、褶皱等不同柔性基底微结构和多孔导电聚合物材料的柔性压力传感器在材料选择、结构设计、制备方法、传感性能等方面取得的重要进展,并对柔性压力传感器的未来发展进行了展望。     

基于纳米银颗粒-聚多巴胺-碳纳米管导电材料的三明治型柔性应变传感器

着眼医疗保健、软机器人和人机交互等领域柔性应变传感器需兼备高灵敏和宽工作应变范围,本文设计基于纳米银颗粒-聚多巴胺-碳纳米管(AgNPs-PDA-CNT)的敏感材料体系,制备一种层层包覆型三明治结构柔性应变传感器。材料表征和特性测试结果表明：借助PDA黏附性和还原性,AgNPs均匀分散且固定在PDA-CNT表面。独特制备工艺使AgNPs-PDA-CNT导电材料紧密结合硅橡胶毛细管内壁和聚二甲基硅氧烷(PDMS),AgNPs-PDA-CNT渗入PDMS且浓度呈梯度分布。传感器具有高灵敏系数(GF)和宽工作应变范围(0%～44%时GF为69.04,44%～66%时GF为253.13,66%～76%时GF为1 253.8)、快速响应(75 ms)和恢复(90 ms)、良好稳定性和重复性。将传感器应用于人体运动精确监测、软体手指本体感知与软抓手抓取行为监测,取得良好应用效果。     

超疏水柔性应变传感器在人体运动监测中的研究进展

柔性应变传感器是一种将外界应力变化转变为电信号的设备,它克服了传统刚性传感器硬度大、人体适应性差等缺点,作为一种可穿戴设备在人体运动监测领域有很大发展前景。但在恶劣条件或极端环境下使用仍然存在信号输出失真、易被腐蚀等风险。超疏水柔性应变传感器将超疏水涂层的拒水、表面自清洁、防腐抗污与柔性应变传感器的高延展性、高灵敏度等优势相结合,增强了传感器的性能并拓宽了在人体运动监测等方面的应用。本文综述了超疏水柔性应变传感器的基本性能参数、常用的构建材料与构建方法及其在人体运动监测中的功能与应用,并对该领域做出展望。     

柔性织物传感器研究现状与发展

近年来柔性传感器作为智能可穿戴设备的重要模块,各领域对其研究与应用不断深入,其中柔性织物传感器以纺织品作为传感材料载体,极大提升了柔性传感器在智能服装中的应用水平。基于以织物为基底的柔性传感器研究现状,通过回顾国内外相关研究,主要介绍了柔性织物传感器中的压力、温度和应变传感器,总结制备方式并对其原理、特点及发展趋势进行分析,结合实际应用前景,提出现阶段研究存在的问题,并对柔性织物传感器的发展做出展望。     

网格式柔性应变传感器的制备及应用

鉴于柔性应变传感器在人体运动监测、健康监测等领域的广泛应用,设计出兼具高灵敏度和大应变范围的柔性应变传感器具有重要的意义。本文基于Ecoflex-石墨烯复合材料,通过模板法制备了四边形和六边形网格式柔性应变传感器。通过对比两种不同网格结构传感器的应变范围与拉伸断裂极限,发现六边形网格柔性应变传感器的综合性能更优异,并在80%应变条件下进行拉伸/释放疲劳寿命检测,此传感器表现出良好的可靠性,同时该传感器在手肘关节运动和人体不同呼吸状况监测方面表现良好。将六边形网格柔性应变传感器组合构建多通道检测系统,实现了多种手势识别,这在人工智能和运动识别领域具有广阔的市场应用前景。     

气溶胶微喷射打印柔性应变传感器及性能研究

目的 研究气溶胶微喷射打印工艺在制备柔性应变传感器方面的可行性。方法 利用气溶胶微喷射打印工艺不受限于柔性基底且打印定位精度高的优势,通过等离子清洗技术增大PDMS表面附着力,使用纳米银墨水与PDMS基底制作用于人体运动检测的电阻式柔性应变传感器。结果 通过等离子清洗PDMS基底表面,解决了打印过程中柔性应变传感器因PDMS表面纳米银液滴凝聚而产生的不导电问题。探究了气溶胶微喷射打印工艺参数对打印银线宽度的影响规律,发现增大鞘气流量或缩小喷头内径能有效减小打印线宽。利用高精度万用表检测由气溶胶微喷射打印制备的传感器在受力时产生的电信号,测试传感器在无应力状态下导电性良好且稳定,计算出传感器应变在3.5%内且灵敏度可达163.84。将传感器用于人体手指部位的运动监测,证明其具有检测微小信号的能力。结论 气溶胶微喷射打印工艺可用于制备所需要的柔性应变传感器,该传感器在智能穿戴设备方面具有一定应用潜力。     

用于电阻式柔性应变传感器的导电聚合物复合材料研究进展

作为物联网的触角,传感器迎来了新的发展机遇。而随着可穿戴行业的发展,电阻式柔性应变传感器在人体穿戴实时监测、机器人仿生皮肤、医学健康跟踪、运动肢体捕捉以及生产振动检测等领域展现出广阔的应用前景。聚合物导电复合材料是电阻式柔性应变传感器最常用的应变传感核心材料,具有柔性好、应变检测范围大以及成本低的优势。但现有的基于聚合物导电复合材料的传感器普遍存在迟滞明显、线性度低、导电网络稳定性差的缺点,此外对于某些复合材料在应变过程中的导电机理阐释也存在缺陷。因此,近年来诸多学者从聚合物导电复合材料导电机理、不同导电填料的特性、聚合物本身特性以及不同的制备工艺等方面开展了大量的研究工作。在解释聚合物导电复合材料的导电机理方面,目前多采用渗流理论解释其导电过程。目前聚合物导电复合材料所用的导电填料主要分为碳系导电填料和金属系导电填料两大类,由于碳系导电填料的导电稳定性好、价格低,是目前使用的主流。而目前使用的聚合物基体主要分为硅橡胶、天然橡胶以及聚氨酯三大类,硅橡胶主要用于小应变、高灵敏度传感器,天然橡胶主要用于大应变传感器。而聚合物导电复合材料的制备工艺主要分为填充式、夹心式、吸附式三种,填充式的传感器应变范围较大,而夹心式和吸附式传感器应变范围相对较小。本文对聚合物导电复合材料的导电机理、导电填料、聚合物基体以及不同制备工艺进行了归纳和分析,并展望了柔性应变传感用聚合物导电复合材料今后可能的研究热点和发展趋势。     

纤维及织物基柔性可穿戴器件研究进展

近年来,随着智能技术的迅速发展,可穿戴器件逐渐成为研究热点。在实际应用中,柔性的可穿戴器件具有更广阔的应用前景,尤其是以纤维和织物为基底制作的柔性器件为解决穿着舒适性、耐水洗性不佳及三维形变时与人体贴合性差等问题提供了基础,同时符合绿色环保的理念,具有现实的研究意义。本文介绍了几种典型的柔性可穿戴器件,并简要回顾了可穿戴设备的柔性化进程;概述了以纤维、织物为基底的柔性可穿戴器件的制备方法;对纤维/织物基器件进行了分类并综述了在柔性传感器、柔性能源器件、柔性电极等领域的最新应用,指出随着材料科学、纺织技术和微电子技术的融合发展,通过系统设计和一体成型构建纺织结构柔性器件是穿戴式产品进一步发展的客观需求和必然趋势。     

蚕丝基柔性导电复合材料在传感器中的应用进展

蚕丝作为传统的纺织纤维，较大的纤维长径比使其具有优异的力学性能，其强度优于钢铁，弹性优于尼龙，同时兼具轻盈透气等优点。将蚕丝织物作为柔性导电材料基材对可穿戴电子产品在医疗检测、运动康复、食品检测等方面的应用具有重要意义。介绍了蚕丝的结构及柔性传感器的传感机理，综述了国内外以蚕丝织物作为基底的柔性导电复合材料在传感器件中的应用进展，并对蚕丝基柔性导电复合材料的发展前景进行了展望。     

碳基柔性电阻式应变传感器的研究进展

碳基柔性电阻式应变传感器凭借其结构简单、设计灵活、潜在可量产化和综合传感性能优异等特点，在可穿戴柔性电子领域获得了广泛应用。根据不同碳基柔性电阻式应变传感器的应用现状，介绍了炭黑基、碳纳米管基和石墨烯基三种柔性电阻式应变传感器的制备、性能及应用研究。针对碳纳米管基和石墨烯基柔性电阻式应变传感器，按照碳纳米材料宏观结构的组装形式进行了分类(一维纤维或纱线、二维薄膜或织物和三维块体)综述。     

基于聚丙烯酰胺有机凝胶的柔性可变色应变传感器

柔性应变传感器在可穿戴医疗设备、电子皮肤等领域具有广泛的应用前景,然而传统柔性应变传感器只能输出电信号,缺乏对应力应变的直接可视化响应,限制了其在应力预警、健康监测等方面的应用。本文以柔性透明银纳米线(Silver nanowire,AgNW)/硅橡胶薄膜为电极,以浸渍有机电致变色染料和锂离子的聚丙烯酰胺有机凝胶(Polyacrylamide,PAAm)为变色单元,成功制备了一种具有三明治结构的柔性可变色应变传感器。研究结果表明,该PAAm传感器具有优异的拉伸和压缩回弹性及中等应变响应性能(响应灵敏度为0.7),此外它可在外力作用下产生颜色变化,实现对应变的可视化响应。该传感器在交互式可穿戴设备、电子皮肤、防伪、人工假肢和智能机器人等方面具有广阔的应用前景。     

基于静电纺纳米纤维的柔性可穿戴压力传感器的研究进展EI北大核心

柔性可穿戴压力传感器具有舒适性高、可编织性强以及可模仿人类皮肤对外界刺激做出敏锐的感知和响应等独特性能,可作为人工电子皮肤被广泛应用于医疗检测、疾病诊断、人体运动跟踪以及健康监测等领域。近年来,基于柔性可穿戴压力传感器的设计、构筑、性能探究和开发受到研究者的广泛关注。利用静电纺丝法制得的纳米纤维膜具有孔隙率高、比表面积大、易于功能化改性等优点,使其在柔性传感器构筑领域展现出极大的应用潜力。基于此,本文对静电纺纳米纤维在柔性可穿戴压力传感器方面的研究及进展进行了综述。简要介绍了可穿戴压力传感器的特点,阐述了静电纺丝技术及静电纺纳米纤维在制备柔性可穿戴压力传感器方面的优势,重点讨论了基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器在不同领域的研究应用,最后对低成本制造具有高分辨率、高灵敏度、精确的响应性的基于静电纺的柔性可穿戴压力传感器研究做了总结和展望。     

苏州纳米所研发新型可穿戴离子型无源力学传感器取得新进展

正随着可穿戴设备的爆发式发展,与其密切联系的可穿戴传感技术也迅速发展。目前研究较多的柔性力学传感器主要为电阻型和电容型,它们不易检测出不同方向的力学变形,不利于复杂多维运动的监测。日前,中科院苏州纳米所陈韦研究团队发展了基于离子压电效应的可穿戴离子型无源力学传感器,并且实现了对于人体多尺度多维活动的实时监测。相关成果发布于《微尺度》。这种离子型传感器以贵金属材料或者石墨烯材料作为电极材料,以离子液体作为电解质。在受到力学形变作用     

一种抗冻、可拉伸有机水凝胶的制备及 在柔性应变传感器中的应用

针对导电水凝胶柔性应变传感器在低温环境容易被冻结而发生失效的问题,通过溶剂置换策略制备了一种抗冻、可拉伸的聚多巴胺还原氧化石墨烯/海藻酸钠/聚丙烯酰胺（PDA-rGO/SA/PAM）有机水凝胶。实验结果表明：制得的有机水凝胶具有优异的抗冻性能、良好的机械性能以及灵敏的传感性能。此外,组装的有机水凝胶柔性应变传感器可以检测多种人体运动形式,例如手指弯曲、手腕弯曲、面部微表情等,对未来可穿戴柔性电子产品的发展起到了一定的推动作用。     

共轭电纺法制备聚乳酸纳米纤维能源纱线及其应用

随着柔性电子产品的快速发展,人们对可穿戴能源技术的需求也愈加迫切。摩擦电纳米发电机(Triboelectric nanogenerator, TENG)和纺织材料结合的织物电子器件,在生物运动能量收集和多功能自供电传感器中展示出广阔的应用前景。在这里,我们通过共轭电纺丝法制备了柔性聚乳酸(Polylactic acid, PLA)纳米纤维能源纱线,讨论了纺纱参数(涡流场、静电场、速度场)对纱线形成和电学性能的影响。实验结果表明,能源纱线具有2 400 MPa的断裂强度和135°的疏水接触角,能保护芯电极稳定工作。结合能源纱线的自发电模式设计了触觉传感映射矩阵,,实现了实时触觉映射。此外,将能源纱线编织成的柔性发电织物,在人体1 Hz的低频运动下(外部负载100 MΩ时),发电织物的最大峰值功率密度为100 mW/m~2,能驱动LED灯珠和液晶显示屏。这种基于共轭纺丝的纱线制备方式为下一代电子织物的设计提供了新思路。     

基于离子液体电解质的柔性电化学O2传感器性能研究

氧气是人类和其他大部分生命体赖以生存的物质基础，环境中过低和过高的氧气浓度都会影响人的身体健康，甚至危及生命安全。因此，针对未知环境空气中氧气浓度的监测对于保障作业人员的生命安全尤为必要。近年来，随着智能穿戴产业的迅速发展，柔性氧气传感器由于结构适应性强、可共形设计以及轻量等特点越来越受到学术界与产业界的关注。本工作采用1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐[BMIM]PF₆离子液体作为电解质，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为柔性衬底，通过蒸镀金电极并采用柔性封装工艺，制备了一种柔性电化学氧气传感器，并系统研究了其应用性能。所制备的氧气传感器在0%～60%的氧气浓度范围内表现出了良好的线性度(R²=0.974)、T₉₀响应时间(约为20 s)、灵敏度(0.534)。该柔性电化学氧气传感器在智能穿戴、工业安防等领域显示出广阔的应用前景。     

柔性纺织电阻传感器的研究进展

纺织电阻传感器具有质量轻、柔性好和可拉伸等优良特性,在可穿戴电子产品领域具有很大的应用价值.文中根据近年来不同纺织材料基电阻传感器的研究进展,介绍了无捻纤维(束)基电阻传感器、纱线(长丝纱、短纤维纱、复合纱)基电阻传感器和织物(针织物、机织物、非织造织物)基电阻传感器的制备、性能及应用研究.在纱线基电阻传感器中,主要基...     

柔性可拉伸应变传感器研究进展与应用

随着智能产品的快速发展,柔性传感器在可穿戴电子领域发挥着重要的作用。综述了近年来可拉伸应变传感器的研究进展与应用,包括传感器类型和传感机理,碳材料、金属纳米材料、混合微/纳米材料等可拉伸传感器的常用材料,可拉伸应变传感器的制造方法及其在个人健康监测、人体运动检测、人机接口、康复和娱乐技术等方面的潜在应用前景,最后提出了可拉伸应变传感器面临的挑战与未来发展的方向。     

聚天冬氨酸/聚(丙烯酰胺-丙烯酸)/Fe^(3+)离子水凝胶应变传感器的制备及在人体运动监测中的应用EI北大核心CSCD

将聚天冬氨酸(PASP)引入聚(丙烯酰胺-丙烯酸)(P(AA-AM))中,制备了PASP/P(AA-AM)水凝胶基质,将该基质浸泡于FeCl_(3)·6H_(2)O水溶液,得到了高强度、超拉伸,灵敏度较好的新型双离子交联PASP/P(AA-AM)/FeCl_(3)(PAAF)水凝胶。Fe^(3+)的引入不仅提高了PAAF水凝胶力学性能,同时也赋予了优秀的传感性能。所得的水凝胶传感器表现出优异的拉伸性能(1125%)、良好的力学强度(802.97 kPa),出色的快速自恢复性能(几乎完全恢复),良好的抗疲劳性和较好的灵敏度(GF=3.04),可以监测不同的人体运动(例如手指、肘部和膝关节),在小应变和大应变下都具有较好的稳定性,有望应用于可穿戴柔性传感器领域,监测人体运动。     

碳化腈纶基可穿戴应变传感器的制备及其在关节活动监测中的应用

采用碳化处理和弹性体封装的方法制备了高灵敏度和较大拉伸应变范围的碳化腈纶基应变式传感器.使用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨率透射电镜(HRTEM)等多种测试手段对传感器基材的微观形貌、分子基团、元素含量、晶格条纹和分子结构进行表征.研究表明碳化处理的传感器基材形貌未发生明显变化,碳化后氰基、亚甲基消失,碳碳双键等基团出现,并且出现了类石墨化的晶格条纹.经过弹性体封装制备的碳化腈纶基可穿戴传感器具有高灵敏度(125.2),较大的拉伸应变范围(≥50％),良好的循环耐用性能(>1000次).在对人体关节活动测试上表现出优越的电学性能,显示出碳化腈纶基可穿戴传感器在柔性可穿戴和人工智能领域的巨大应用潜力.