基于碳化纸的柔性应变传感器制备及人体运动监测研究

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随着柔性电子学的迅猛发展,以柔性材料为基底,结合高性能传感物质制备的柔性传感器成为了一个新的研究热点,成本低廉、制备简单、环境友好、性能优异是其发展的目标和趋势。在众多的传感物质制备方法中,碳化是一种简单、绿色的方式,它将原本绝缘的生物质转变为导电碳物质,没有复杂的步骤,不使用有毒有害的化学试剂,不产生污染性气体,因此受到众多研究者的关注。至今,已有许多生物质用于碳化,且相关研究成果已经展现出导电性好、灵敏度高等技术特点。然而目前的管式炉碳化方式效率极低,超长的处理时间降低了其吸引力;此外,基于碳化的柔性传感器大多功能单一,如只具有应变压感或压力传感,尤其缺少温度传感,而温度监测在环境、电子系统、人体健康等领域都有重要意义。因此,本论文重点开展碳化生物质方面的研究,将便宜易得的纸巾碳化后封装到硅胶弹性体中,制备得到柔性多功能传感器。本论文的具体工作和研究成果如下:(1)探索了快速退火生物质获得导电材料的可能性,将碳化时间从数小时缩短为五分钟,制备工艺简单高效,可快速推广至其他生物质的超快碳化。具体地,我们将成本低廉、可再生的多层面巾纸(Multilayerfacialtissue,MFT)在N2下快速退火五分钟,得到的超快碳化多层面巾纸(Ultrafast carbonized multilayer facial tissue,UCMFT)用硅胶弹性体封装成为UCMFT柔性多功能传感器。(2)制备得到的UCMFT传感器能感知水平应变、垂直压力和温度变化三种信号,且对应变和温度是正电阻变化,对压力是负电阻变化,该特性有利于将应变和压力信号区分开。具体地,UCMFT传感器表现出应变灵敏度高(GF~186)、拉伸范围广(0-100%)、探测极限低(0.04%)、迟滞程度小(14.08%)、响应迅速(~80ms)、抗疲劳特性好(50%应变下7000次拉伸-释放循环)等特点,同时它能感知最高44 kPa的压力,最大温度灵敏度比大多数柔性温度灵敏度高一个数量级——25-65℃内温度灵敏度最高为4.48%℃-1。(3)UCMFT传感器可以直接贴附在人体皮肤上进行全范围人体运动监测,包括大幅应变如关节弯曲和微小应变如呼吸、脉搏、眨眼、发声等,且输出信号强烈、稳定,无需额外配备信号放大装置,在个人医疗健康、人机交互领域具有重要的应用价值。
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