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可拉伸应变传感器的制备及其在人体健康监测中的应用

孙子晶  
【摘要】:随着仿生电子皮肤、柔性可穿戴电子器件的飞速发展,人们对舒适便捷的个性化医疗需求不断增长。可穿戴式应变传感器可以实时感应人体活动产生的各种应变信号进而及时监控健康状况变化,在人体健康监测方面起着至关重要的作用。为满足全方位监测人体健康的需求,亟需开发兼具高灵敏度和高拉伸性的应变传感器以有效监测微小生理信号和大尺寸关节运动。然而,由于灵敏度和拉伸性之间的相互制衡,开发兼具高灵敏度和可拉伸性的应变传感器仍然是一个巨大的挑战。在这里,我们基于光刻工艺制备了一种超灵敏可拉伸应变传感器,利用微图案化金和碳纳米管在导电性和可拉伸性方面的巨大差异,同时实现高灵敏度和宽探测范围,有效应用于人体健康的超灵敏全范围监测。主要研究内容如下:1.通过生物启发,利用金和碳纳米管的性能差异设计并制备了兼具高灵敏和宽范围的可拉伸应变传感器。通过模拟蜘蛛的裂缝状传感器官,采用金/碳纳米管复合材料,设计了兼具高灵敏度和高拉伸性的可拉伸金/碳纳米管应变传感器,之后基于光刻技术成功制备了宽度为100μm、长度为10 mm的微型化可拉伸应变传感器。2.通过机械和电学性能测试,系统优化和表征了可拉伸应变传感器的传感性能。通过可控调节光刻线条宽度和碳纳米管层数系统优化了应变传感器的灵敏度和传感范围。另外,通过各种机械和电学性能测试全面表征了可拉伸应变传感器的传感性能,结果表明金/碳纳米管应变传感器传感器具有许多优越性能,包括超高的灵敏度(GF为7.1×104和3.4×106),宽广的检测范围(100%应变),出色的耐用性(1000个循环),超低检测极限(0.1%应变)以及快速的响应(1.3ms)。3.将可拉伸应变传感器贴合在人体的各个部位全面探究了传感器在全方位人体健康监测中的表现。应变传感器即使在微小应变下(0.5%应变)仍具有高灵敏度(GF=687),可以精确地检测人类生理活动引起的微小应变变化。此外,应变传感器还可以有效探测和区分包括大范围人体关节运动在内的各种人体活动,证明金/碳纳米管应变传感器可用于全方位超灵敏监测人体健康,显示出其作为可穿戴健康监测设备的巨大应用潜力。


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