柔性传感器

Abstract(#br)Flexible and stretchable multifunctional electronics is expected to be one of the most active research areas in the next decade. In this work, we fabricate graphene based flexible film sensors using two different matrices; polydimethylsiloxane (PDMS) and epoxy. A graphene platelet (GnP) refers to a nanosheet that consists of a few stacked graphene layers, mostly below ~ 10 nm in thickness . The mechanical, electrical and thermal properties of the fabricated composite films were evaluated. The morphology showed a good dispersibility of GnPs into the PDMS and epoxy matrices.

摘要\n早产儿较足月儿更容易出现发病率、残疾和发育迟缓的风险。原始反射是在生命早期发育中发现的先天行为，被证明是评估婴儿中枢神经系统完整性和预测潜在故障的良好工具。在这些反射中，非营养性吸吮反射在指示脑发育和摄食准备的先天异常中起重要作用，尤其对早产儿。通常，儿科医生根据自己的经验定性地评估口腔吸吮能力，使用手套手指放在婴儿的嘴里。因此，需要更多的定量解决方案来评估早产儿的吸吮能力，以支持保健专业人员进行评估。在这里，我们开发了一种基于银纳米线( AgNW )的柔性压力传感器来测量婴儿的非营养性吸吮能力。采用在聚二甲基硅氧烷( PDMS )上沉积银纳米线的方法制备了一种三明治结构的柔性传感器。基于应变片原理的传感器连接在环形连接模块上，然后连接到电平。婴儿施加的负吸吮压力使传感器膜变形，引起其电阻变化而不与婴儿的嘴部和传感元件发生任何接触。对所制备的传感器进行了表征和优化，使其既达到了合适的灵敏度，又达到了稳定。由于良好的长期电机械稳定性和高灵敏度，研制的传感器有望提供定量评估婴儿非营养性吸吮的手段，提供便携式、低成本、无创和轻量级的解决方案。

在动物体内发现的流动感受器通常具有柔软细长的结构(如鱼类神经瘤、昆虫毛发、哺乳动物体视纤毛束等)，能够响应周围微小的流动扰动，提高动物对猎物和/或捕食者的警惕性。然而，模拟其生物对应的材料特性(如低弹性模量)和几何结构(如大展弦比结构)的仿生流动传感器的制备仍然是一个挑战。本工作借鉴自然界中发现的机械感应式流动传感原理，发展了一种简便、低成本的制备大展弦比( HAR )悬臂梁式流动传感器的方法。提出的工作流程包括高分辨率3D打印制作主模，复制件成型制作HAR聚二甲基硅氧烷( PDMS )悬臂梁(厚度0.5 ~ 1 mm，宽度3 mm，长宽比20 )，微流控通道( 150 µ m宽×90 µ m深)压印，最后将石墨烯纳米片墨水滴注到微流控通道中，在悬臂梁固定端附近制作压阻式应变片。压阻式流量传感器在风洞内受控气流( 0 ~ 9 m / s )中进行测试，其灵敏度高达5.8 kΩ / ms-1，滞后性低(全尺寸偏转的11 % )，重复性好。传感器输出对气流速度呈现二阶依赖性，与解析和有限元模型预测吻合较好。此外，该传感器还采用振荡偶极子在水箱内进行激励，在15 Hz的激励频率下，能够感知16 - 30 µ m / s的振荡流速。本工作提出的方法可以方便快速地成型柔性HAR结构，这些结构可以作为功能仿生流动传感器和/或物理模型应用于解释生物现象。

设计并制备了一种由聚二甲基硅氧烷( PDMS )和多壁碳纳米管( MWCNTs )组成的多孔微结构压阻材料，用于宽检测范围的柔性高灵敏压力传感器。在部分固化的PDMS / MWCNTs / NaCl混合液表面，通过压印非织造布的方法，将微观结构花样化。将NaCl粉末固化溶解后，得到多孔和表面微结构的PDMS / MWCNT薄膜。将两个PDMS / MWCNT薄膜堆叠在一起，夹在两个铜箔电极之间，其中两个微结构表面与电极接触。由于多孔结构与表面微结构的协同作用，柔性传感器在1 ~ 100 kPa的宽压力范围内具有高灵敏度响应。在小压力下，通过改变电极与表面微结构的接触面积实现了高灵敏度，在高达100 kPa的压力下，由于压阻式PDMS / MWCNT材料的多孔结构，传感器保持了高灵敏度。此外，该传感器响应速度快，耐久性好。基于多孔和微结构PDMS / MWCNTs的压阻式压力传感器在声音检测、人体活动监测以及空间压力分布的阵列映射等方面得到了展示。

虽然二维层状二硫化钼( MoS2 )在催化、储能、光检测等方面具有广泛的电学应用，但目前针对压阻式传感器溅射MoS2的报道较少。在本研究中，我们发现磁控管溅射MoS2在柔性衬底上的电阻在施加压力时发生了明显而有规律的变化。扫描电子显微镜( SEM )和原子力显微镜( AFM )图像显示MoS2微晶粒结构由纳米级颗粒组成，颗粒之间有沟槽。化学表征数据证实了非晶态MoS2在聚二甲基硅氧烷( PDMS )衬底上的成功生长。设计并制作了一种微厚度薄膜柔性传感器。当压力为0.46 MPa时，1.5 μ m厚聚二甲基硅氧烷( PDMS )基片的传感器表现出最佳的最大Δ R / R为70.39，压阻系数高达866.89 MPa - 1。本文提出的基于MoS2薄膜的柔性压力传感器也成功地作为可穿戴式压力传感器用于足底压力的测量，且重复性良好。结果表明，薄膜压力传感器具有良好的压阻性能和较高的灵敏度。

虽然二维层状二硫化钼( MoS2 )在催化、储能、光检测等方面具有广泛的电学应用，但目前针对压阻式传感器溅射MoS2的报道较少。在本研究中，我们发现磁控管溅射MoS2在柔性衬底上的电阻在施加压力时发生了明显而有规律的变化。扫描电子显微镜( SEM )和原子力显微镜( AFM )图像显示MoS2微晶粒结构由纳米级颗粒组成，颗粒之间有沟槽。化学表征数据证实了非晶态MoS2在聚二甲基硅氧烷( PDMS )衬底上的成功生长。设计并制作了一种微厚度薄膜柔性传感器。其中，1.5μm厚的聚二甲基硅氧烷( PDMS )衬底的传感器表现出最佳的电阻性能，在压力为0.46 MPa时，最大ΔR / R为70.39，压阻系数高达866.89 MPa-1。本文提出的基于MoS2薄膜的柔性压力传感器也成功地作为可穿戴式压力传感器用于足底压力的测量，且重复性良好。结果表明，薄膜压力传感器具有良好的压阻性能和较高的灵敏度。

柔性传感器由于在人机交互、医疗、运动监测等领域具有广阔的应用潜力，引起了越来越多的研究兴趣。构建一个高性能、能够区分不同刺激的集成传感器系统仍然是一个挑战。这里，我们提出了一种用于运动监测的柔性集成传感器系统，可以独立测量弯曲应变和压力，且制作工艺简单、成本低。通过烧结聚酰亚胺( PI )制备了系统中的电阻弯曲应变传感器，其测量因子为9.54，具有良好的机械稳定性；基于银纳米线( AgNWs )和聚二甲基硅氧烷( PDMS ) -可膨胀微球的复合结构构建了灵敏度和工作范围可调的电阻压力传感器。通过将柔性集成传感器系统与相应传感器记录的独立应变和压力信息结合在手腕上实现动作识别。在运动监测和智能人机界面方面显示出巨大的应用潜力。

柔性传感器由于在人机交互、医疗、运动监测等领域具有广阔的应用潜力，引起了越来越多的研究兴趣。构建一个高性能、能够区分不同刺激的集成传感器系统仍然是一个挑战。这里，我们提出了一种用于运动监测的柔性集成传感器系统，可以独立测量弯曲应变和压力，且制作工艺简单、成本低。通过烧结聚酰亚胺( PI )制备了系统中的电阻弯曲应变传感器，其测量因子为9.54，具有良好的机械稳定性；基于银纳米线( AgNWs )和聚二甲基硅氧烷( PDMS ) -可膨胀微球的复合结构构建了灵敏度和工作范围可调的电阻压力传感器。通过将柔性集成传感器系统与相应传感器记录的独立应变和压力信息结合在手腕上实现动作识别。在运动监测和智能人机界面方面显示出巨大的应用潜力。