【摘 要】
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作为物联网时代的产物,柔性可穿戴电子设备在个人与环境中扮演了重要的角色,在人机交互、柔性电子皮肤等领域具有广阔的应用前景。相较于传统的刚性集成电路器件,灵活柔韧的柔性可穿戴设备可以和人体表面完全贴合,从而对人体运动及健康信号等进行监测,从而实现多种传感功能。因此对其核心元件柔性传感器的电极材料进行选择,对聚合物复合电极材料的制备方法和加工过程进行工艺优化,在提升电阻式柔性传感器导电特性的同时不降低
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作为物联网时代的产物,柔性可穿戴电子设备在个人与环境中扮演了重要的角色,在人机交互、柔性电子皮肤等领域具有广阔的应用前景。相较于传统的刚性集成电路器件,灵活柔韧的柔性可穿戴设备可以和人体表面完全贴合,从而对人体运动及健康信号等进行监测,从而实现多种传感功能。因此对其核心元件柔性传感器的电极材料进行选择,对聚合物复合电极材料的制备方法和加工过程进行工艺优化,在提升电阻式柔性传感器导电特性的同时不降低其力学性能,提升柔性传感器稳定性等方面显得尤为重要。本文将使用微电子打印、物理气相沉积(高温真空蒸镀、磁控溅射)、空间限域强制组装等方法制备柔性传感器并对其性能进行测试,从而满足不同场景下的使用需求。主要研究内容:(1)以聚氨酯丙烯酸酯(PUA)为柔性传感器的基底、银为电极,采用微电子打印的方法进行复合电极材料的制备;通过控制190℃的热处理温度、60min的热处理时间等工艺条件从而更致密地析出银单质电极,在聚合物表面构建连续稳定的导电网络;借鉴中医“三部九候”理论传感器进行阵列式结构设计,使用低弹性模量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜对电极层进行封装,用高弹性模量的聚酰亚胺(PI)薄膜与电极的连接部分贴合降低连接单元形变对传感性能的影响;对传感器的阵列电极进行三千次重复性以及0.14Hz、0.25Hz和0.5Hz的变频率循环测试,得到其具有较好的重复性和变频率循环特性,对脉搏的搏动情况进行有效的、高分辨率的实时监测,在预防和判断身体健康状况方面具有重要的意义。(2)采用空间限域强制组装法制备柔性传感器,用于放疗患者的胸腹式呼吸状态监测。在PDMS基体中以炭黑为导电填料,利用强制组装方法在聚合物基体内部构建连续紧密的导电填料网络;对该柔性传感器件进行灵敏度测试,其在30%应变范围内灵敏度GF=6.43且保持稳定,结合胸腹部的呼吸变化范围确定其应用的可行性;优化结构使其在胸腹式呼吸监测应用场景下具有更高的灵敏度;对其响应时间、重复性等性能进行测试,在阶跃信号下5%应变的响应时间约为137ms,并且具有较好的重复性;对不同的拉伸量进行数据标定;该传感器结合胸腹部压力场监测需求进行针对性的部位监测,给出患者的最优胸腹式呼吸方式,在降低乳腺癌放疗患者心脏及肺脏放射损伤、提升患者生活水平方面具有重要的意义。(3)采用高温真空蒸镀和磁控溅射的加工方法,以铜和铝为靶材,PUA薄膜为基底材料进行柔性传感器的制备。该方法成本较低、无需后续热处理、效率高、薄膜致密度高、与基材的附着性好。通过探索该传感器制备的加工工艺,研究了真空度、靶材种类及用量、基片材料、基材表面状态及基材与靶源的空间关系对传感器的影响;对传感器进行连接、封装以及防氧化处理,对采用磁控溅射的方法选用最佳加工工艺制备的柔性电极材料进行灵敏度、响应速度及微小应变按压实验的性能测试,在1.8%应变以下时,灵敏度GF=4.88,在1.8%-2%应变区间内,GF值增加到了194.2,其响应时间为141ms,其在小应变区间内具有较高的灵敏度和较快的响应速度,揭示了其在电子皮肤(e-skins)领域上的应用潜力。
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