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清华大学在类皮肤柔性压力传感器中取得重要进展

中研股份2019年1月29日讯  清华大学冯雪教授课题组报道了一种通过静电纺丝和高温碳化制备的一种三维多孔碳纳米纤维网状材料,其不仅具有优异的力学性能和压阻特性外,还同时兼备超轻、疏水等特性,拓宽了此类材料在柔性类皮肤传感器中的应用。利用此材料制备的压力传感器具有高的压力灵敏性,可以探测与人体压力相关的生理参数,例如脉搏、发声、呼吸和关节活动。

柔性类皮肤触觉传感器是受皮肤功能启发的一种电子器件,可以用在人机交互、健康监测、智能传感等领域。近年来三维多孔材料在应用于柔性压力传感器中具有突出表现,但存在压力灵敏性不高、功能单一、制备复杂等缺点。

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图1.通过静电纺丝和高温碳化制备碳纳米纤维网状材料

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图2.柔性类皮肤压力传感器的实物图和示意图

通过静电纺丝直接生成三维絮状物,然后高温碳化成三维多孔压阻材料,打破了静电纺丝成薄膜的局限思维,得到的材料具有优异的力学性能,展现出良好的柔性可以实现弯曲和扭转,并且能达到95%的压缩会弹性;优异的压阻特性使其能够作为压力传感器使用,异面电极引线可以实现高达1.41kPa-1的压力灵敏性,远高于同类三维压阻材料的灵敏性;同面电极引线方式也能实现较高的灵敏性,可以减少在其作为压力传感器循环工作时皮肤和电极接触产生的破坏。除了优异的力学性能和压阻特性之外,同时还兼备超轻性、疏水性、低的导热系数,拓宽其作为电子皮肤的应用范围,例如疏水性可以保证器件在湿润环境下工作,超轻性可以使传感器可以探测到气流吹动。利用此材料设计了一种类皮肤柔性压力传感器,通过半浸润碳纳米纤维泡沫,使其一半露出一半浸润在Ecoflex中,就好像人体的皮肤,露出部分相当于人体汗毛可以感知到轻微压力和气流吹动,浸润的部分类似于人体皮肤使器件更加牢固稳定,引线电极类似于人体神经用于传输信号;同时还提出了一种用于侧向力方向识别的阵列传感器设计思路。

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图3. 与压力相关的生理健康参数监测:声音识别、探测脉搏

利用该材料展现出的优异力学性能和压阻特性制备出了具有高压力灵敏性的类皮肤压力传感器,可以探测微小变形和压力,如贴在手臂桡动脉可以探测脉搏、贴在鼻孔下可以监测呼吸、贴在喉咙处可以探测发声时的微小振动从而实现声音识别功能;同时还能探测比较大的变形,如手指关节处的弯曲活动等。此论文研究对生理健康监测具有重要意义。该成果以“Fabrication of highly pressure-sensitive, hydrophobic, and flexible 3D carbon nanofiber networks by electrospinning for human physiological signal monitoring”为题在线发表在《Nanoscale》期刊上。

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