柔性纺织结构压力传感器制备及其智能可穿戴技术应用

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压力传感器是可穿戴电子器件的重要元件之一。具备不同结构的聚合物集合体可以用作柔性传感器的基材。作为外界压力的受体及活性物质的载体,柔性基材的选取至关重要。对于可穿戴柔性压力传感器,柔性、回弹性、压缩性以及耐久性是影响传感性能的重要因素。纺织材料由于具备良好的柔性、弹性、高亲肤性以及多维多尺度的特点,受到广泛应用。因此,本文采用具备三维结构的非织造布以及镀银针织物/聚丙纶弹性纤维集合体作为传感器柔性基材,研究纺织结构对传感性能的影响及其在可穿戴技术领域的应用。主要研究内容如下:一、以低成本、商业用的具有三维结构的聚酯非织造布作为传感器的柔性基材,还原氧化石墨烯充当活性物质,通过浸涂的方法制备了电导率为0.29 S/m的还原氧化石墨烯/聚二甲基硅氧烷改性非织造布电阻式压力传感器。通过数学模型对三维结构非织造布的结构参数(纤维直径、纤维体积分数)进行了分析。该传感器具有优良的传感性能:压缩灵敏度(23.41 kPa-1)、弯曲灵敏度(35.37 kPa-1),迅速的响应时间(120 ms)、回复时间(240 ms),低的分辨下限(压缩18 Pa,弯曲21Pa)以及低迟滞性(0.8%)。二、受传统枕头的启发,我们通过热粘合技术制备了基于镀银针织物/聚丙纶弹性纤维集合体的三维枕形多级电阻式压力传感器。由于镀银针织物固有的柔性针织结构和聚丙烯纤维集合体良好的回弹性,该传感器具备优良的传感性能,包括较高的灵敏度(3.504 kPa-1),优良的可重复性(4,500次循环后电阻下降2%)。并且,我们还对其传感机理进行了进一步的解释。三、将上述制备好的两种纺织结构柔性压力传感器连接于人体的不同部位检测多种人体生理活动信号,如关节弯曲、脚底受力、声带震动、呼吸、脉搏跳动以及睡眠姿势等。此外,我们还对睡眠姿势进行了多点连续监测。因此,我们构建的柔性纺织结构电阻式压力传感器传感器在监测病人、儿童以及老年人的日常生理活动中具有广阔的应用前景。
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