【摘 要】
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柔性电子器件由于其可以适应人体皮肤的形变,具有良好的环境匹配性,成为长期、实时电生理信号监测的研究热点。但多数柔性电生理信号传感器基底材料为高弹性的聚合物,会产生大量不可降解的塑料废弃物,因此绿色可降解传感器件的开发成为解决这一问题的可行思路。纸张具有价格低廉、天然多孔结构、可降解等优点,在环境友好型先进材料制备与功能器件开发领域存在巨大应用潜力。本文基于日常生活中常见的铅笔和复印纸,采用铅笔直写
【基金项目】
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国家自然科学基金(51977060)
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柔性电子器件由于其可以适应人体皮肤的形变,具有良好的环境匹配性,成为长期、实时电生理信号监测的研究热点。但多数柔性电生理信号传感器基底材料为高弹性的聚合物,会产生大量不可降解的塑料废弃物,因此绿色可降解传感器件的开发成为解决这一问题的可行思路。纸张具有价格低廉、天然多孔结构、可降解等优点,在环境友好型先进材料制备与功能器件开发领域存在巨大应用潜力。本文基于日常生活中常见的铅笔和复印纸,采用铅笔直写工艺构建蛇形石墨导电图案作为传感电极,复印纸为传感器柔性基底,并引入疏水性二氧化硅涂层构建电极防水层,设计了具有低成本、超疏水性、绿色环保的高性能柔性纸基电生理传感器,并开展了人体心电信号、脑电信号与肌电信号的实时采集与应用实验研究。(1)柔性电生理传感器的设计制备:基于铅笔中的石墨颗粒具有高导电性及片层厚度可控等特性,在商用复印纸上经过划写制备导电图案作为传感电极,疏水气相二氧化硅涂层为防水层,甲基纤维素为粘性介质层,构建了电生理传感器的基本结构。在此基础上,为了适应人体形变,设计了不同的弯曲结构的电极,分析了电极几何结构、划写次数、浸入疏水气相二氧化硅悬浮液次数和甲基纤维素浓度等传感器制备结构参数对于传感器性能的影响,优化设计了柔性纸基电生理传感器进行了最优制备参数及工艺。(2)电生理信号检测性能分析:对于铅笔-纸基电极的电学性能进行分析,测量电极的接触阻抗在低频段低于商用的银/氯化银传感器电极,铅笔-纸基电极在弯曲实验中具有良好的循环稳定性。对铅笔-纸基电极的疏水性能与自清洁性能、粘附性进行分析,得出铅笔-纸基电极具有超疏水特性,对于泥土、油污、汗渍等具有自清洁性能。进行铅笔-纸基电极心电、肌电与脑电信号的检测实验,采集到的心电、肌电和脑电信号质量较好且波形与商用电极一致,铅笔-纸基电极的信噪比高于商用电极。(3)传感器应用研究:将铅笔-纸基电极贴附于人体不同的部位,实现了瞬时心率、心率变异性和呼吸率等健康信息的监测,通过肌电信号可以对人体手势信号和声音进行分类处理,通过脑电信号可以分析人体大脑的活跃程度。该研究为柔性可穿戴设备的电生理检测提供了支撑。
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