穿戴式柔性传感材料的设计、制备与应用研究

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传感器是一类可以将外部刺激转化为电信号或其他相关信号的装置,近些年来人们对穿戴式探测的需求要求其具有柔韧、轻质、易集成等特点,从而更好的应用于环境监测,医疗健康,人机交互等方面。但是目前可穿戴传感器监测技术的研发还处在初级阶段,各方面的发展还存在很多局限。我们的工作聚焦于穿戴式气体传感器和力学传感器的研究开发,对目前发展存在的一些问题进行了探究,从材料选择,器件结构设计出发制备了高灵敏、柔性、易集成的传感材料和器件,并对它们在穿戴集成的应用上做了尝试。  针对气体传感领域,目前在室温下对超低浓度气体的有效检测存在很多困难,其次在实际穿戴传感应用的集成性、稳定性、灵敏性、便携性上的试验也不深入。对此,我们基于掺杂的纳米锥状聚苯胺材料制备了高性能的CO传感器,该柔性传感器在室温下对CO有很高的灵敏性,最低可检测到2.5 ppb的气体,且响应速度快、恢复性好、稳定性和选择性高。进一步的,我们以普通纺织布和纺织纤维为模板的制备的聚苯胺传感织物也具有很好的传感性能,在穿戴式传感方面有很好的稳定性、灵敏度和集成便携性。这一工作对制备均一、精细微结构的柔性高灵敏传感材料提供了借鉴,同时也为穿戴气体传感器发展提供了新方向。  在力学传感领域,对大形变人体活动的实时检测以及复杂构型变化的穿戴式监测与识别还是一个很大的挑战。针对这些问题,本课题制备了一种基于离子运动的自驱动形变传感器,其不仅具有优良的材料构成和结构组织来达到大形变活动检测所需要的稳定性,还具有方向识别能力来精确的监测复杂变化的人体活动。该离子传感器由高性能碳复合材料和离子聚合物构成,在测试中有很好的灵敏度(2.6 mV/1%应变)和稳定性(6000次循环)。根据其空间感应能力,利用传感阵列集成的智能手套可以实现复杂构型手语活动的检测和识别,对穿戴式的手势识别做了有实际使用价值的实验探索,人机交互方面有重要的应用前景。
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