【摘 要】
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在信息产业蓬勃发展的今天,柔性压力传感器能灵活地布置于复杂曲面,赋予无生命物体感知压力的能力,在智能机器人、物联网技术以及可穿戴医疗电子设备等新兴领域有着广泛的应用前景。尤其在医疗电子领域,可穿戴式的柔性压力传感器可以实现对诸如脉搏跳动、声带振动以及关节弯曲等人体各种生理信号的实时监测,这对于健康管理、疾病诊治有着重大意义。为满足医疗健康领域的需求,传感器除了要具有高灵敏度、响应快,循环稳定性好的
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在信息产业蓬勃发展的今天,柔性压力传感器能灵活地布置于复杂曲面,赋予无生命物体感知压力的能力,在智能机器人、物联网技术以及可穿戴医疗电子设备等新兴领域有着广泛的应用前景。尤其在医疗电子领域,可穿戴式的柔性压力传感器可以实现对诸如脉搏跳动、声带振动以及关节弯曲等人体各种生理信号的实时监测,这对于健康管理、疾病诊治有着重大意义。为满足医疗健康领域的需求,传感器除了要具有高灵敏度、响应快,循环稳定性好的压敏性能,也需要保证敏感材料良好的生物相容性。为此,研究人员开发出了许多的新型材料以满足其越来越高的性能需求。柔性传感器件大都采用高分子材料,例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、合成树脂等作为弹性体或者衬底,来赋予传感器柔韧性。和这些高分子材料相比较,天然生物材料,例如纤维素、甲壳素、丝素蛋白等,具有来源广泛,对环境友好,微观结构丰富以及生物相容性好等种种优点。因此生物材料在可穿戴式压力传感器领域有着巨大的应用潜力。然而生物材料在柔性压力传感器领域中的相关研究并不多,如何利用生物材料制备高性能的柔性压力传感器,目前仍然是一个挑战。本文开发了基于丝素蛋白以及生物蛋白膜这两种生物材料的柔性压力传感器,并对器件的传感性能进行了较为系统深入地研究,展示了生物材料在柔性压力传感领域的巨大应用潜力,具体研究工作以及创新点如下:(1)将丝素蛋白(SF)与二维材料Ti3C2(MXene)复合,制备出SF@MXene复合膜,并将其作为压敏传感层,制作了柔性压力传感器。在复合过程中,丝素蛋白与MXene纳米片之间相互作用,自组装成连续层状结构,提高了复合膜的柔韧性以及机械稳定性,并且赋予传感器优异的压敏性能;同时,复合膜继承了丝素蛋白良好的生物相容性,保证了其不会对人体皮肤产生损伤。基于复合膜的压力传感器件的灵敏度高(25.5 k Pa-1),响应恢复速度快(40/35ms),循环稳定性达3500次以上,将其应用于人体运动检测,成功检测到关节弯曲、脉搏跳动等信号。(2)从鸡蛋壳膜中剥离制备的生物蛋白膜具有天然的多层纤维网络结构,是高灵敏度的柔性压力传感器理想的模板。本文将MXene纳米片粘附于蛋白膜的纤维网络上,制备出复合压敏薄膜。蛋白膜模板独特的多层纤维网络结构赋予了复合膜优异的传感性能,在0.098–1.96 k Pa的低压力区间的灵敏度高达59.00k Pa-1,并且检测下限低至3.92 Pa,检测范围广(﹥39.2 k Pa),循环稳定性良好(﹥5000次),还展示出了对人体运动监测的应用潜力。
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