【摘 要】
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柔性压阻式皮肤应变传感器因其优异的传感性能和良好的舒适性,能够实时且精准地捕获常见的生理信号或皮肤运动信息,已广泛应用于人体健康监测和机械化智能控制等多个领域。石墨烯材料具备导电性强、化学稳定性好、机械强度高、比表面积大等优点,同时多层石墨烯电阻变化受应变影响明显,使其成为制备柔性压阻式传感器的理想材料。然而传统石墨烯制作方法能耗大、效率低、成本高和易造成环境污染。而且,若要把无定型石墨烯粉末转移
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柔性压阻式皮肤应变传感器因其优异的传感性能和良好的舒适性,能够实时且精准地捕获常见的生理信号或皮肤运动信息,已广泛应用于人体健康监测和机械化智能控制等多个领域。石墨烯材料具备导电性强、化学稳定性好、机械强度高、比表面积大等优点,同时多层石墨烯电阻变化受应变影响明显,使其成为制备柔性压阻式传感器的理想材料。然而传统石墨烯制作方法能耗大、效率低、成本高和易造成环境污染。而且,若要把无定型石墨烯粉末转移到柔性衬底上,并形成特定形状的电极,需要复杂的操作过程,和较高的制备成本。激光诱导石墨烯(LIG)是通过激光烧蚀聚酰亚胺(PI)薄膜形成石墨烯结构,为石墨烯及其传感器的制备提供了一种快速、低成本的新思路。相比于红外激光通过光热法生成石墨烯,紫外激光具有制备更薄更窄LIG电极的优势。本文系统地探究了通过紫外激光烧蚀PI膜制备石墨烯基柔性应变传感器的方法,并对所制备传感器的性能和可穿戴应用进行研究。本文的研究内容主要包括以下几个部分:(1)采用紫外激光在PI薄膜上诱导生成图案化石墨烯,对材料进行表征分析,观察其微观结构及元素构成。结果表明,紫外激光烧蚀获得的LIG与传统方法制备的石墨烯具有相同的结构和性能,能够满足传感器使用要求。随后对激光参数进行探索,分析不同参数下LIG表面形貌和传感性能的区别,最终选择最佳激光参数,即脉冲频率150 k Hz,扫描速度50 mm/s,扫描间距0.02 mm。得益于激光诱导制备过程简单且精度高,可以实现LIG传感器低成本批量制备。(2)测试PI基底上LIG传感器在弯曲和压缩形变下的传感性能,实验结果表明,LIG传感器具有较好的灵敏度和线性度,向外弯曲时灵敏度因子(GF)约为1.6,拟合直线的线性回归系数R~2>99%;压缩应变下获得的GF达到57以上,R~2=98.6%,且表现出优秀的重复性。此外,传感器能够有效进行肢体动作捕捉和常见生理信号传感。对人体唇部肌肉进行建模,设计出符合唇部肌肉运动的唇语传感器,采集日常短语的唇语信号,通过识别算法完成简单的唇语识别与机械臂控制工作。(3)针对PI基底不易拉伸以及压缩形变量不足等缺点,同时考虑人体皮肤的多维应变状态,替换LIG基底材料,并对传感器的结构重新设计,探索具备多方向传感能力的应变传感器。首次采用聚乙烯泡棉丙烯酸双面胶带转印图案化LIG电极,并构建双层十字型结构的应变传感器,完成拉伸、压缩、弯曲、扭曲等复杂多样的形变测试。实验结果表明,所设计的传感器具备极佳的性能(拉伸应变下GF=79.2,R~2=90.4%;压缩应变下GF=0.22,R~2=97.9%),并表现出很好的抗疲劳性,能够借助手势动作控制传感器形变并完成摩尔斯编码等应用工作。为了进一步增强传感器压缩传感能力,采用具备优异机械弹性的CNTs/PDMS复合结构做为传感器夹层,制备三明治结构的多维应变传感器,使得传感器在压缩应变下的灵敏度进一步提升(压缩GF=1.3,R~2=98.6%),可以监测人体脉搏、心跳等微弱形变信号,并用于控制智能小车运动等人机交互操作。
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