柔性织物应变传感器的设计制备及性能研究

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柔性可穿戴的电子设备近年来因其能够实现与人体的友好接触和稳定的监测能力而引起了学界的极大关注。应变传感器作为电子设备的重要组成部分之一,广泛应用于消费类电子产品、疾病诊断等领域。对于可穿戴电子设备的发展而言,创新型应变传感器的研制至关重要,但仅仅具有优异的电学性能对传感器而言是远远不够的,其柔性、舒适性和耐用性等性能在决定该类传感器的应用时同样具有重要意义。柔性织物应变传感器是将织物的柔性、可拉伸性和舒适性等出色的物理性质与应变传感器结合而成的具有应变传感特性的织物型电子器件,这类传感器的物理特性以及电气特性主要由织物结构与敏感材料决定。目前,通过薄膜工艺在纺织品的表面上形成敏感导电层,是一种设计柔性织物应变传感器的常用思路。本文通过一种简单巧妙的方法实现了上述过程,制备了一种柔性织物应变传感器,对其各项性能进行了研究,并对其在可穿戴设备的应用进行了设计及验证。论文的主要工作如下:(1)基于无尘布良好的拉伸恢复等物理特性,以及还原氧化石墨烯(rGO)优异的电学特性,通过借助抗坏血酸(L-AA)还原氧化石墨烯(GO),实现了柔性织物应变传感器的一步法制备,并探究了制备工艺参数,即氧化石墨烯(GO)与抗坏血酸(L-AA)浓度及比例对其应变性能的影响。当氧化石墨烯(GO)浓度为1 mg/ml,氧化石墨烯(GO)与抗坏血酸(L-AA)浓度比为1:5时制备出的柔性织物应变传感器表现出最佳的综合性能。经工艺优化后所制备的传感器表现出良好的线性应变负响应(GF=-0.84)、较低的迟滞(e_H=6.4%)、较快的响应速度(小于280 ms),应变检测极限可达0.002ε,以及突出的耐用性(1000次重复试验仍保持一致性良好的响应),优秀的综合性能使其在可穿戴应用中具备相当大的潜力。此外,本文结合性能测试与表征分析结果还针对该柔性织物应变传感器进行了应变敏感模型的建立以及敏感机理的分析。(2)基于一步法制备柔性织物应变传感器的优秀的应变特性,对其可穿戴应用进行了展望与验证。针对柔性织物可穿戴设备在应用中对耐久性的要求,对该柔性织物应变传感器的抗水洗特性进行了研究,发现该工艺制备的器件在水洗过后仍能保持较为稳定的应变特性;基于织物型传感器与传统衣物良好的兼容性,本文通过在衣物上多点固定的柔性织物应变传感器实现了对人体常见肢体动作的检测与识别;借助织物可剪裁的特性,通过设计使传感器应变检测范围扩大,实现了200%超大应变的检测;同时,除了优秀的应变性能之外,该织物传感器还对湿度信号存在敏感特性,基于这两种同时存在的敏感特性与呼吸信号的高度对应性,提出了呼吸湿度协同敏感的呼吸检测机制,通过该传感器实现了呼吸信号高效稳定的实时检测。
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