论文部分内容阅读
随着物联网、人工智能、大数据、云计算等技术的不断发展,全球信息技术呈现出“万物互联”和“万物智能”发展趋势,可穿戴医疗电子作为物联网的数据源头,能实时捕捉人体的生理或行为特征,有望将以疾病为中心的传统医疗服务系统转变为以疾病预防为主的个性化医疗模式,是实现智慧医疗的关键。其中,压阻式柔性压力传感器,因其能耗低、灵敏度高、工艺流程简洁、制造成本低、大规模制造、易集成等优点,可应用于健康监测、疾病诊断、精密手术等医疗服务中,在下一代可穿戴医疗电子中备受关注。在压力传感器技术的不断发展背后,仍存在不同微结构的压敏机理不完善、器件与皮肤共型接触有待提高、不能兼顾高灵敏度和宽压力检测范围、拓展传感器对多元化生理信号的监测等难题。因此,本论文基于压阻式压力传感器,系统研究不同微结构的压敏机理,设计新型柔性材料,构建不同微结构,优化器件结构,兼顾灵敏度和压力检测范围,改善传感器的压敏特性,并开展了多元化复杂生理信号的监测。主要研究内容如下:（1）针对导电材料与微结构柔性骨架的界面接触问题,本文利用聚多巴胺（PDA）改善聚偏二氟乙烯（PVDF）亲水性,以便聚吡咯（PPy）纳米颗粒自聚合在纳米纤维表面,形成导电的PVDF/PDA/PPy同轴纳米纤维薄膜。该柔性压敏薄膜具有三维网络状导通通路,受到挤压时,传感器的电阻迅速下降,因此该传感器在0.01-2 k Pa压力范围内的灵敏度可达139.9 k Pa-1,能探测的最小压力为0.9 Pa,快速的响应/恢复时间（22 ms/53 ms）,能精准检测出动态和静态压力以及很好的循环稳定性。此外,该传感器还能贴附在身体不同部位监测说话振动、手指弯曲、手腕脉搏等生理信号。（2）针对构建微结构的成本问题,本文利用天然蚕丝中存在的silk fibroin微纤维结构,结合导电性高的MXene,以简单、低成本、环保的滴涂法制备出导电的MXene/silk fibroin柔性纤维薄膜。由于MXene（-O、-F、-OH）和silk fibroin（-NH和-OH）表面存在丰富的表面官能团,MXene和silk fibroin之间易形成大量的氢键,在氢键的作用力,MXene紧密地贴附在silk fibroin纤维表面,从而使得传感器表现出优异的稳定性。通过调节压敏薄膜的导电性和纤维分布密度,制备出兼具高灵敏度和宽的压力检测范围。该传感器在0.01 k Pa-12 k Pa压力范围内的灵敏度高达124.1 k Pa-1,能精准地、快速地识别出38 mg水滴、12.6 mg叶子和0.9 mg打印纸等微小压力,响应时间小于20 ms,恢复时间为40 ms。能精准识别出手指的活动状态,肌肉拉伸状态,甚至能识别出不同个体在不同运动状态下的桡动脉信号,促进了下一代可穿戴电子在健康监测中的发展。（3）针对压敏材料不可降解带来环境污染问题,本文利用天然棉花的降解特性、微纤维结构、丰富的表面官能团等优点,以简单、低成本、环保的滴涂法,将MXene均匀地涂覆在cellulose纤维表面,形成稳定的、可降解、生物适应的MXene/cellulose fiber柔性纤维薄膜。当MXene滴涂浓度为2 mg/m L,MXene/cellulose fiber压力传感器的灵敏度最高,这是因为在导电压敏薄膜中存在少许不导电/导电性差纤维,作为垫片穿插在导电纤维中,使得传感器的初始电阻增大,从而增大了传感器对外部刺激的响应。该传感器在较宽的压力范围内（0.01k Pa-30 k Pa）表现出的灵敏度高达17.73 k Pa-1,能检测的最低压力为2 Pa,能检测最大压力为50 k Pa,同时具有较快的响应时间和恢复时间（80 ms/40 ms）,以及优异的稳定性。此外,该传感器可用于不同压力范围的生理活动监测,如手指弯曲、手指触碰和手臂肌肉的运动等生理活动引起的较大压力,以及喉部肌肉移动,手腕脉搏等生理活动引起的微小压力,在健康监测和辅助复健等领域中扮演着重要的角色。（4）针对电子垃圾带来环境污染问题,以及可植入生理监测的需求,本文制备了基于中空碳球（HCSs）/silk fibroin压阻式柔性压力传感器,以中空纳米碳球为导电填料,以silk fibroin为柔性可降解基底,以玫瑰花瓣为模板,制备具有凸起微半球结构的HCSs/silk fibroin柔性导电压敏薄膜,以交联互锁方式组装为HCSs/silk fibroin压阻式柔性压力传感器。该传感器在0-0.5 k Pa压力下灵敏度为5.63 k Pa-1;在0.5 k Pa-10 k Pa压力下灵敏度为2.62 k Pa-1;较快的响应时间（147 ms）;以及稳定的循环性（＞15000次）。为满足与皮肤共型接触,引入Ca Cl2,调节传感器的柔韧性,该传感器能贴附在身体不同位置监测手指弯曲、肌肉拉伸、人脸表情等生理活动。