可穿戴电子产品

摘要\n绿色能量收集器Triboelectric nano Generator ( TENG )可以从人体运动中收获机械能到电能，用于可穿戴电子和传感器网络。多孔材料在提高TENG电性能方面发挥了重要作用，本文采用偶氮二异丁腈( AIBN )作为自反应剂对聚二甲基硅氧烷( PDMS )进行改性，通过PDMS预固化与AIBN分解温度的差异，形成自组装的多孔结构( PDMS-N10薄膜)。与未修饰的PDMS相比，基于PDMS-N10的TENG的输出电压和电流分别提高了2.5倍和2.7倍。此外，116个发光二极管可以被点亮，22个µF电容被充电。TENG还被用作传感器或触发器，用于感知肘部、膝盖、腕部或手指的运动，由于其灵活性、耐久性和低成本，可应用于可穿戴设备。

制备稳定、可靠、多功能的传感器需要不断的研究。本研究报道了一种利用激光直写技术在柔性基板内制作防水传感器的新方法。制备了聚二甲基硅氧烷( PDMS )薄膜作为柔性衬底。本工作采用硝酸银、柠檬酸钠和聚乙烯吡咯烷酮( PVP )组成的银墨。银墨首先被涂复在PDMS薄膜表面。然后采用405 nm激光对PDMS薄膜上导电电路用银纳米粒子进行还原。清洗未处理的银墨后，另一层PDMS薄膜复盖在银电路上，形成防水传感器。该传感器可用于手指弯曲和伸长的检测。响应时间为0.3   s，恢复时间为0.4   s。该传感器能很好地响应高频和低频弯曲。经五百次弯曲后，可保持其功能正常。而且，该传感器可在水下正常工作，具有良好的防水性能和稳定性。可安全用于潮湿条件、多雨天气和水下环境下的运动监测。基于这些实验结果，这种简单的工艺有望制备防水可穿戴传感器。

本研究旨在提高电容压力传感器组成中采用多孔结构和锥形图案的传感器的灵敏度。本研究介绍了一种利用含聚二甲基硅氧烷( PDMS )的乳液和牺牲溶剂微波辐照制备多孔结构和锥形图案的简便快速的制备方法。通过这种方法，可以在几分钟内简单地制备出多孔PDMS介电层。在外压作用下，提高变形能力和提高介电常数，显著提高了灵敏度。研究了模式距离对传感器灵敏度的影响，当模式距离为600  μm时，传感器灵敏度可达5   kPa-1。此外，还通过有限元分析研究了长径比和纹样尖锐度的影响。最后，我们展示了使用传感器阵列和手指附着传感器的传感器的性能，它们显示出足够的性能，可用于适用于人造皮肤、手术机器人和压力监测系统等可穿戴设备。

可穿戴电子设备的压力传感器安装在不规则的表面上，并暴露在各种外界刺激下。因此，传感器应具有结构灵活、测压范围宽、灵敏度高的特点。在本研究中，我们利用糖颗粒和油包水乳液，采用简单、经济的方法制备了分级多孔结构的聚二甲基硅氧烷( PDMS )复合材料。采用分级多孔PDMS复合材料作为柔性电容压力传感器的介质层。在较宽的测量范围内( 0 ~ 400  kPa )，电容式压力传感器的灵敏度比本体PDMS高22.5倍( 0.18  kPa-1 )。通过观察PDMS复合材料的压缩行为，对传感器的非线性进行了有限元分析。针对实际应用，对手指附着式传感器、呼吸监测系统和传感器阵列进行了测试，所提出的传感器在可穿戴电子领域显示出足够的应用潜力。

制备稳定、可靠、多功能的传感器需要不断的研究。本研究报道了一种利用激光直写技术在柔性基板内制作防水传感器的新方法。制备了聚二甲基硅氧烷( PDMS )薄膜作为柔性衬底。本工作采用硝酸银、柠檬酸钠和聚乙烯吡咯烷酮( PVP )组成的银墨。银墨首先被涂复在PDMS薄膜表面。然后采用405   nm激光在PDMS薄膜上还原银纳米颗粒用于导电回路。清洗未处理的银墨后，另一层PDMS薄膜复盖在银电路上，形成防水传感器。该传感器可用于手指弯曲和伸长的检测。响应时间为0.3   s，恢复时间为0.4   s。该传感器能很好地响应高频和低频弯曲。经五百次弯曲后，可保持其功能正常。此外，该传感器能够在水下正常工作，具有良好的防水性能和稳定性。可安全用于潮湿条件、多雨天气和水下环境下的运动监测。基于这些实验结果，这种简单的工艺有望制备防水可穿戴传感器。

本研究旨在提高电容式压力传感器组成中采用多孔结构和锥形图案的传感器的灵敏度。本研究介绍了一种利用含有聚二甲基硅氧烷( PDMS )的乳液和牺牲溶剂的微波辐照制备多孔结构和锥形图案的简单快速的制备方法。通过这种方法，可以在几分钟内简单地制备出多孔PDMS介质层。在外压作用下，通过提高变形能力和提高介电常数，提高了灵敏度。研究了模式距离的影响，模式距离为600   μ m的传感器的灵敏度约为5   kPa - 1。此外，还通过有限元分析研究了长径比和花纹尖锐度的影响。最后，我们利用传感器阵列和手指附着的传感器对传感器的性能进行了验证，并将其应用于可穿戴设备，如人工皮肤、手术机器人和压力监测系统等。

近几十年来，表面科学的研究已经建立了对清洁无机表面进行亚nm精细功能化的能力，但对于许多应用来说，对弹性体等非晶态材料的表面化学进行类似的控制是非常有用的。在这里，我们表明，在石墨上组装、光聚合的二炔两亲分子的条状单分子层可以共价转移到聚二甲基硅氧烷( PDMS )上，这种弹性体在微流控、软机器、可穿戴电子、细胞培养等领域有着广泛的应用。该工艺制备了\u003c 1nm厚的精密聚合物薄膜，具有1nm宽的功能图案，控制了界面润湿和反应活性，以及对柔性、超窄Au纳米线的模板吸附。聚二乙炔分子表现出偏振荧光发射，揭示了聚合物的位置、取向和环境，并能抵抗吸附，这是PDMS功能化中的常见问题。这些发现说明了在非晶态材料中非均匀性长度尺度以下进行表面化学图形化的途径。

自愈式摩擦电纳米发电机( SH-TENGs )具有自愈速度快、输出性能高、穿着舒适等优点，在可穿戴电子设备中有着广泛而广阔的应用前景。本工作提出了一种高性能水凝胶基SH-TENG，该SH-TENG由高介电摩擦电层( HDTL )、自修复水凝胶电极层( SHEL )和物理交联层( PCLL )组成。与纯PDMS相比，添加0.01 wt . % CNTs的PDMS的短路转移电荷( 44 nC )和开路电压( 132 V )提高了一倍。在聚乙烯醇( PVA )中加入甘油、聚多巴胺颗粒( PDAP )和石墨烯，制备自愈水凝胶电极层。SHEL在暴露于空气中1 min就能在体力上自愈。自愈效率达到98 %。PCLL由聚甲基氢硅氧烷( PMHS )和PDMS组成。它在亲水凝胶和疏水PDMS层之间形成良好的物理键。SH-TENG的电输出性能在1min内可达到未损伤的94 %。SH-TENG ( 6 × 6 cm2 )具有良好的稳定性和优异的电学性能，可同时供电37个LED。

多孔压阻式传感器提供了很有前途的柔性传感功能，如人体关节运动检测和手势识别等。采用微波快速除杂技术制备了由聚二甲基硅氧烷( PDMS )和分散良好的碳纳米管( CNTs )组成的多孔纳米复合海绵，通过改变致孔剂的用量和碳纳米管的负载量来调节多孔传感器的孔隙率和电学性能。利用扫描电子显微镜( SEM )对海绵进行表征，比较其微观结构，验证高质量CNT分散体，证实纳米填料成功嵌入弹性体基体中。CNT负载量为3wt %的海绵压阻灵敏度最高。实验表征表明，低孔隙率海绵具有较长的耐久性和最小的应变速率依赖性。此外，将所制备的3 wt % CNTs海绵用于压阻法人体运动检测。一项实验包括假肢手上的指尖压缩测量。此外，传感器附在用户的胸部、肘部和膝盖上，以检测呼吸、跑步、行走、关节弯曲和投掷动作。