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张海霞︱用于健康监护的柔性仿生双功能传感器研制成功

已有 1093 次阅读 2019-10-12 22:06 |个人分类:科研工作|系统分类:论文交流| 湿度传感器, 压力传感器, 健康监测, Alice, Wonderlab

北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组日前在材料领域重要期刊《ACS Applied Materials & Interfaces(ACS AMI)期刊上发表文章《基于褶皱/多孔海绵结构仿皮肤的湿度和压力传感器》(Skin-Inspired Humidity and Pressure Sensor with a Wrinkle-on-Sponge Structure, DOI: 10.1021/acsami.9b13383),该文章于20199月接收,信息科学技术学院张海霞教授为本文通信作者,2017级博士研究生缪立明为论文第一作者。

 

论文摘要】多功能传感器以其广泛的应用价值引起了人们的广泛关注。其中,由于电子器件所处的复杂物理化学环境,湿度传感和压力传感的集成是重要的。受皮肤结构的启发,本文设计了一种将微米褶皱结构与多孔海绵结构相结合的新方法,实现了一种基于碳纳米管-聚二甲基硅氧烷(CNT-PDMS)的具有湿度传感和压力传感功能的柔性双功能传感器。湿度传感特性可由UVO处理时间和CNT浓度控制,而压力传感特性可由孔径大小和CNT浓度控制。该双功能传感器能很容易地感知到手的接近和触摸过程,对某些电子设备具有预警和保护作用。此外,该双功能传感器还可以作为一种可穿戴的健康监护传感器用于检测人体关节运动和呼吸状况。

 

图文导读

1 a)防皮肤结构的传感器示意图;(b)湿度传感示意图;(c)压力传感示意图。

2 褶皱/多空海绵结构的SEM照片(ab)及实物图(cd);(e-h)不同UVO处理时间下的褶皱结构;(i-l)不同研磨时间下的多孔孔径。比例尺为500微米。

3 湿度传感特性。(a)不同CNT浓度的CNT-PDMS电阻;(b)不同CNT浓度下的湿度传感特性;(c)高湿和低湿环境下的灵敏度;(d)不同UVO处理时间下的水接触角;(e)不同UVO处理时间下的湿度传感特性;(f)高湿和低湿环境下的灵敏度;(g)不同湿度下的电流信号的实时变化;(h)弯曲和压缩的稳定性测试;(i30天后依然具有可靠的湿度传感特性。

4 a)测试实物图;(b-c)响应时间测试;(d-f)不同CNT浓度下的压力传感特性;(g-i)不同研磨时间下的压力传感特性;(j)不同压力下的重复性测试;(k)不同频率下压力传感特性;(l)实时响应曲线;(m-n)弯曲和压缩的稳定性测试。

5 a)手接近表面时的湿度传感信号变化;(b)手接触到传感器产生的压力传感信号变化;(c-e)阵列化识别压力传感图像;(f)应用于人体膝盖关节及口罩上作为健康监测传感器;(g)检测高抬腿运动;(h)检测快慢呼吸状态。

 

重要创新点】通过模拟皮肤结构,创新性地设计了褶皱与多孔两种结构的制作工艺,实现了褶皱结构与多孔海绵的复合结构,实现了湿度和压力双功能传感器。结果表明,低浓度的碳纳米管使起皱碳纳米管的电阻与湿度呈负相关,而在较高浓度的碳纳米管下,电阻随相对湿度的增加而增大。UVO处理控制了褶皱结构,改善了表面的亲水性,从而获得更好的湿度传感性能。在压力传感方面,采用多孔海绵结构提高了CNT-PDMS的压阻灵敏度。碳纳米管浓度对压力传感性能有很大影响。碳纳米管浓度越低,获得的灵敏度就越高。孔径大小的差异也会导致不同的敏感性,直径为500μm的孔径是最佳选择。该双功能传感器能具有感知手的接近和触摸的功能,保证电子设备的正常工作。此外,该传感器还可用于人体关节运动和呼吸检测,具有广泛的应用价值。

 

相关研究得到国家自然科学基金、国家重大科学研究计划、北京市科技计划、北京市自然科学基金等项目的支持。

 

【文章链接】Skin-Inspired Humidity and Pressure Sensor with a Wrinkle-on-Sponge Structure. (ACS Applied Materials & Interface). https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.9b13383



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