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超疏水柔性应变传感器在人体运动监测中的研究进展

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复合材料学报 2023年第7期40卷 3837-3851页

作者：罗灵欢林祥德姜佳怡应娜曾冬冬上海健康医学院医疗器械学院上海201318 上海理工大学健康科学与工程学院上海200093

柔性应变传感器是一种将外界应力变化转变为电信号的设备,它克服了传统刚性传感器硬度大、人体适应性差等缺点,作为一种可穿戴设备在人体运动监测领域有很大发展前景。但在恶劣条件或极端环境下使用仍然存在信号输出失真、易被腐蚀等风... 详细信息

柔性应变传感器是一种将外界应力变化转变为电信号的设备,它克服了传统刚性传感器硬度大、人体适应性差等缺点,作为一种可穿戴设备在人体运动监测领域有很大发展前景。但在恶劣条件或极端环境下使用仍然存在信号输出失真、易被腐蚀等风险。超疏水柔性应变传感器将超疏水涂层的拒水、表面自清洁、防腐抗污与柔性应变传感器的高延展性、高灵敏度等优势相结合,增强了传感器的性能并拓宽了在人体运动监测等方面的应用。本文综述了超疏水柔性应变传感器的基本性能参数、常用的构建材料与构建方法及其在人体运动监测中的功能与应用,并对该领域做出展望。

关键词：超疏水柔性应变传感器人体运动监测水下监测可穿戴

聚天冬氨酸/聚(丙烯酰胺-丙烯酸)/Fe离子水凝胶应变传感器的制备及其在人体运动监测中的应用

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高分子材料科学与工程 2023年

作者：崔聪聪李汉红毛林韩陈朝霞张玉红有机化工新材料省部共建协同创新中心湖北省功能化学品工程技术研究中心湖北大学化学化工学院

将聚天冬氨酸(PASP)引入聚(丙烯酰胺-丙烯酸)(P(AA-AM))中，制备了PASP/P(AA-AM)水凝胶基质，随后将该基质浸泡于FeCl3·6H2O水溶液，得到了高强度、超拉伸，灵敏度较好的新型双离子交联PASP/P(AA-AM)/FeCl3(PAAF) 水凝胶。Fe3+的引入... 详细信息

将聚天冬氨酸(PASP)引入聚(丙烯酰胺-丙烯酸)(P(AA-AM))中，制备了PASP/P(AA-AM)水凝胶基质，随后将该基质浸泡于FeCl3·6H2O水溶液，得到了高强度、超拉伸，灵敏度较好的新型双离子交联PASP/P(AA-AM)/FeCl3(PAAF) 水凝胶。Fe3+的引入不仅提高了PAAF水凝胶力学性能，同时也赋予了优秀的传感性能。所得的水凝胶传感器表现出优异的拉伸性能 (1125%)、良好的机械强度(802.97 kPa)，出色的快速自恢复性能(几乎完全恢复)，良好的抗疲劳性和较好的灵敏度(GF为3.04)，可以监测不同的人体运动(例如手指、肘部和膝关节)，在小应变和大应变下都具有较好的稳定性，有望应用于可穿戴柔性传感器领域，监测人体运动。

关键词：水凝胶传感器聚天冬氨酸人体运动监测拉伸性

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柔性压力传感器设计及其人体运动监测研究

柔性压力传感器设计及其人体运动监测研究

作者：王鑫鑫太原理工大学

学位级别：硕士

柔性压力传感器作为一种新兴的电子器件,克服了传统刚性压力传感器灵敏度低、传感范围窄、变形能力有限、分辨率低等缺点,广泛应用于人体运动监测。本论文通过总结柔性传感器的研究现状,发现液态金属电阻式柔性压力传感器为了防止液态... 详细信息

柔性压力传感器作为一种新兴的电子器件,克服了传统刚性压力传感器灵敏度低、传感范围窄、变形能力有限、分辨率低等缺点,广泛应用于人体运动监测。本论文通过总结柔性传感器的研究现状,发现液态金属电阻式柔性压力传感器为了防止液态金属泄露,进行密闭封装,牺牲了传感器的透气性,在穿戴应用时容易造成皮肤刺激与损伤。因此,以该问题作为出发点,研制了一种透气封装的液态金属泡沫柔性电阻式压力传感器,通过性能测试发现该传感器的灵敏度较低,针对这一问题,研制了一种高灵敏度的液态金属弹性体泡沫柔性电容式压力传感器,该传感器虽然具有极高的灵敏度,但是其最大压力测量极限受到限制,为了解决电容式压力传感器高灵敏度与大压力测量极限之间的矛盾,研制了一种基于可变刚度机理的柔性电容式压力传感器。最终,将三种压力传感器应用到人体运动监测方面。具体的研究内容如下:(1)针对液态金属柔性电阻式压力传感器的不透气性问题,以PDMS泡沫作为模板,采用失蜡法在泡沫中间层浸涂液态金属,制备得到透气封装的液态金属泡沫,并设计“三叉戟”结构的三维电极,组装得到透气封装的液态金属泡沫柔性电阻式压力传感器。传感器的多孔结构使其具有与纤维类似的良好透气性,上下层的PDMS泡沫实现了液态金属的封装,中间层的液态金属泡沫实现了传感功能。同时,一体化的泡沫结构使该传感器机械性能优异,且具有较低的迟滞性(10.6%)、快速响应时间(85 ms)与恢复时间(165 ms)以及良好的稳定性,但灵敏度较低(1.4 Pa)。(2)针对透气封装的液态金属泡沫柔性电阻式压力传感器灵敏度较低的问题,在液态金属弹性体中混合和溶解糖颗粒制备液态金属弹性体泡沫作为传感器的介电层,并设计带有屏蔽层的柔性电极,组合得到高灵敏度的液态金属弹性体泡沫柔性电容式压力传感器。该传感器的泡沫结构使其具有良好的柔性与较低的弹性模量(10.2 k Pa),结合液态金属弹性体的高介电常数,极大地提高了它的灵敏度(0.36 k Pa)。此外,该传感器展示出快速的响应、恢复时间(人体运动监测。透气封装的液态金属泡沫柔性电阻式压力传感器灵敏度较低,实现了手腕、手指、肘腕、膝盖四个压力比较大部位的准确监测;液态金属弹性体泡沫柔性电容式压力传感器灵敏度高,实现了脸部、小臂、颈部、大臂四个压力比较小部位的准确监测;基于可变刚度机理柔性电容式压力传感器集高灵敏度与大压力测量极限于一体,应用范围不受限,可以监测手臂、脸部、手肘和膝盖这四个的部位,并基于该传感器设计智能鞋垫,实现了足底压力的监测。

关键词：柔性压力传感器液态金属电阻式电容式人体运动监测

偏氟乙烯基聚合物柔性物理换能器用于人体运动监测

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偏氟乙烯基聚合物柔性物理换能器用于人体运动监测

作者：唐鑫南京大学

学位级别：硕士

偏氟乙烯(VDF)基铁电聚合物是一类具有代表性的电活性高分子,它的优异的性能与其自身偶极的变化有关。增强偶极的变化能够提升偏氟乙烯基铁电聚合物多方面的性能。与其他铁电材料类似,在多场耦合下,偏氟乙烯基高分子具有多功能性。如何... 详细信息

偏氟乙烯(VDF)基铁电聚合物是一类具有代表性的电活性高分子,它的优异的性能与其自身偶极的变化有关。增强偶极的变化能够提升偏氟乙烯基铁电聚合物多方面的性能。与其他铁电材料类似,在多场耦合下,偏氟乙烯基高分子具有多功能性。如何通过结构或者材料等方面的调控设计,从而获得在某一功能的优化,是目前研究的热点之一。本论文以VDF基多功能铁电聚合物为研究对象,以优化其力电转换性能为目标,针对其不同的特点,采取不同的方法和手段进行了优化处理,并对调控后的铁电聚合物材料或复合材料的功能应用进行了研究。主要研究内容如下。1、我们利用有限元分析方法确定了相较于金字塔结构,棱台结构在受到外界应力刺激时,内部应力分布更集中,应变的分布强度更强。在棱台结构中,应力向内部空间扩散时,空间大小足够但是又受到结构中棱与面的限制作用,在棱台中部区域集中。应变传递的区域进一步的扩大,强度增强,应变梯度上升。依据力学分析的结果,我们利用硅片晶相的各向异性,以湿法刻蚀方法设计制作了倒棱台与倒金字塔两种不同结构的硅模板。我们还利用模板转移的方法,制备出倒金字塔的软模板。最后,我们以简便有效的纳米压印以及浇铸法制备出规整、表面光滑的偏氟乙烯与三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)金字塔与棱台点阵阵列结构。2、铁电聚合物P(VDF-TrFE)的力电转换在人体生理运动行为监测识别的应用。我们利用棱台结构制备出P(VDF-TrFE)薄膜,基于挠曲电效应与应力集中效应增强力电转换性能。制备出自驱动的铁电换能器件。并对人体手部、肘部、颈部、面部等多个不同部位的多样化的运动进行了识别区分,诸如不同的运动幅度、不同的运动频率等。此外,针对不同人在做同一动作时的身体行为实现区分与识别。在力电转换过程中,铁电聚合物换能器件的电压输出最高可以达到4 V,可提供驱动小型电子设备的能量。3、我们将石墨烯和二硫化钼等平面二维材料与铁电聚合物复合提升机电换能器的性能与功能。其中,石墨烯与P(VDF-TrFE)复合材料能够将单纯的具有棱台结构的铁电聚合物的响应性能提升至原先的1-2倍。具有发光效应的二硫化钼与铁电聚合物的复合实现了铁电压电换能器与发光等多功能集成。

关键词：偏氟乙烯铁电挠曲电性力电转换微纳米加工复合材料人体运动监测传感器

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用于接近-压力感知的全纸基智能传感器

中国科学：化学 2024年第4期54卷 667-676页

作者：宋熠霖胡志鹏李俊东钟梓晗赵鹏飞周奎韩素婷周晔深圳大学高等研究院深圳518060 济南鲁源电气集团有限公司济南250100 山东培森人力资源有限责任公司济南250100 深圳大学微纳光电子学研究院深圳518060 深圳大学电子与信息工程学院深圳518060

近年来,伴随可穿戴电子设备与日俱增的需求,成本低廉、绿色环保、可批量生产的纸基传感器得以快速发展.然而,目前的纸基传感器仍有两大挑战亟待解决:(1)广泛使用金属电极,极大地削弱了纸的本征优势.(2)传感机理受限于单一触觉感知功能,... 详细信息

近年来,伴随可穿戴电子设备与日俱增的需求,成本低廉、绿色环保、可批量生产的纸基传感器得以快速发展.然而,目前的纸基传感器仍有两大挑战亟待解决:(1)广泛使用金属电极,极大地削弱了纸的本征优势.(2)传感机理受限于单一触觉感知功能,难以满足多重刺激感知的需求.本文报道了一种基于聚吡咯(PPy)的电容-电阻双模式全纸基传感器.该器件能够感知接近和压力刺激,从而能够应用于人体运动的监测、接近物体的感知.此外,我们还借助该传感器实现了接触式和非接触式摩斯电码输入,并能实现两种模式下的准确区分.该接近-压力全纸基传感器结构简单,容易制造,在可穿戴设备和绿色电子等领域有着巨大潜力.

关键词：纸基电子聚吡咯接近-压力传感器可穿戴设备人体运动监测

柔性可穿戴应变传感器在人体运动监测中的应用研究

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粘接 2020年第7期43卷 142-145,153页

作者：刘海英陈宇辽宁中医药大学教学实验中心综合实验室辽宁沈阳110847

随着现在社会的快速发展,人们也慢慢的步入信息化时代,如当今的大数据、云数据、万物互联的物联网、5G通讯等一些高新技术,这也使得时代信息的应用需求越来越强,在对测量信息的范围、精度和稳定情况各项性能的参数的期望值和理想化也逐... 详细信息

随着现在社会的快速发展,人们也慢慢的步入信息化时代,如当今的大数据、云数据、万物互联的物联网、5G通讯等一些高新技术,这也使得时代信息的应用需求越来越强,在对测量信息的范围、精度和稳定情况各项性能的参数的期望值和理想化也逐步提升,特别是在一些恶劣环境中对气体、压力、湿度的需求量尤为突出,就我们普通的传感器已不能满足这些需求,主要是新材料、新工艺和研发的时候和一些交叉学科进行整合的时候的就会产生很多层出不穷,伴随着柔性材料的迅速发展,因它具有透明、柔韧、延展、可弯曲和折叠、方便携带和可穿戴的特性柔性传感器在医疗器械和健身运动等领域的潜力都备受人们的关注。

关键词：柔性应变传感器人体运动监测

导电复合水凝胶的分类及其在柔性可穿戴设备中的应用

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复合材料学报 2023年第4期40卷 1879-1895页

作者：江文静廖静文张雪慧王艳芹太原理工大学生物医学工程学院太原030024 山西浙大新材料与化工研究院太原030024

近年来,基于水凝胶的导电材料及其作为柔性可穿戴设备的应用引起了人们的广泛关注。柔性可穿戴设备不仅可以采集人体生理信号用于远程健康监测,还在人机界面、软机器人等方面展示出巨大的应用潜力。导电水凝胶所具有的良好导电性、高延... 详细信息

近年来,基于水凝胶的导电材料及其作为柔性可穿戴设备的应用引起了人们的广泛关注。柔性可穿戴设备不仅可以采集人体生理信号用于远程健康监测,还在人机界面、软机器人等方面展示出巨大的应用潜力。导电水凝胶所具有的良好导电性、高延伸性、可调柔韧性、生物兼容性和多重刺激响应性等优点使其成为制备柔性可穿戴设备的理想材料。到目前为止,各种导电材料被广泛用于制作导电复合水凝胶。本文根据导电材料对导电复合水凝胶进行分类,包括离子导电水凝胶(基于盐离子、离子液体、聚电解质等导电物质)、电子导电水凝胶(基于导电聚合物基、碳材料、MXene和金属等导电物质)两大类,并介绍了导电水凝胶在人体运动监测、健康监测、人机界面等柔性可穿戴设备中的应用进展。

关键词：水凝胶导电可穿戴设备智能传感人体运动监测

石墨烯/聚合物泡沫压阻式应变传感器研究进展

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精细化工 2023年第12期40卷 2597-2608,2730页

作者：郑舒方王玉印张泽楷靳玉岭济宁学院化学化工与材料学院山东曲阜273155

基于石墨烯和聚合物的三维多孔结构的导电聚合物基复合材料(CPCs)具有轻量化、高灵敏度、宽应变检测范围、低成本和可扩展性等优点,已成为可穿戴柔性应变传感器的理想选择。首先,总结了柔性压阻式泡沫应变传感器的裂纹扩展机制、重叠-... 详细信息

基于石墨烯和聚合物的三维多孔结构的导电聚合物基复合材料(CPCs)具有轻量化、高灵敏度、宽应变检测范围、低成本和可扩展性等优点,已成为可穿戴柔性应变传感器的理想选择。首先,总结了柔性压阻式泡沫应变传感器的裂纹扩展机制、重叠-断开机制和隧穿效应机制;其次,介绍了3种具有多孔结构的石墨烯/聚合物柔性应变传感器的构筑工艺,包括基于聚合物泡沫、基于石墨烯/聚合物混合分散液、基于石墨烯泡沫的方法;然后,综述了通过上述3种工艺制备的柔性多孔应变传感器的传感性能,并列举了其在人体运动监测领域中的应用实例;最后,对基于石墨烯和聚合物的柔性多孔应变传感器面临的挑战和发展前景进行了展望。

关键词：石墨烯聚合物泡沫应变传感器传感机制人体运动监测

碳纳米管/纳米银复合导电织物的制备及传感性能研究

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碳纳米管/纳米银复合导电织物的制备及传感性能研究

作者：邓港东华大学

学位级别：硕士

传统织物的遮羞、保暖功能难以满足当今社会对智能服装的迫切需求,导电织物兼具良好的导电性以及织物固有的柔韧性、透气性和易集成等优点,在可穿戴织物基应变传感器领域具有极大的应用潜力。其中,将导电聚合物、金属基纳米材料和碳基... 详细信息

传统织物的遮羞、保暖功能难以满足当今社会对智能服装的迫切需求,导电织物兼具良好的导电性以及织物固有的柔韧性、透气性和易集成等优点,在可穿戴织物基应变传感器领域具有极大的应用潜力。其中,将导电聚合物、金属基纳米材料和碳基纳米材料等导电材料与商业化的织物进行复合是实现导电织物的有效途径,并发展了一系列不同功能的织物基应变传感器。然而,实现高导电、优异的传感性能和高稳定性的织物基应变传感器依然具有很大的进步空间。本学位论文以质轻、高弹性和良好耐磨性的针织锦纶/氨纶织物为基底,在其表面修饰聚多巴胺(PDA)以提高界面结合力,采用简单、高效的化学镀和喷涂法引入零维的银纳米颗粒(Ag NPs)和一维的碳纳米管(CNT),通过优化工艺参数制备了具有Ag NPs和CNT交替导电层的复合导电织物,实现了高导电、优异的传感性能和高稳定性的织物基应变传感器,并探索了传感器在人体运动监测中的应用潜力。本文的研究内容如下:(1)首先用PDA对织物进行表面处理,使其带上活性基团,增强导电材料与织物之间的结合力。随后将三氟乙酸银(STA)和左旋抗坏血酸(LAA)分别作为银的前驱体和还原剂,通过化学镀银构建基于Ag NPs的导电织物,最后在导电织物最外层包裹一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)赋予其疏水性和稳定性。通过调控镀银次数来调节织物表面Ag NPs的含量,从而得到了不同性能和用途的导电织物。当镀银次数为2时,PDMS/Ag-2/PDA/Fabric基传感器的应变范围为0-30%,平均灵敏度为21.4。此外,传感器还具有较快的响应速度(响应时间为188 ms)和较低的滞后(10.1%);当镀银次数为5时,织物表面的Ag NPs导电网络更加坚固,PDMS/Ag-5/PDA/Fabric的最大拉伸应变达到50%,表面比电阻低至1.9Ωsq。同时,PDMS/Ag-5/PDA/Fabric在拉伸30%应变时,电阻从3.1Ω仅增加到3.6Ω,并且表现出良好的拉伸导电稳定性。最后,将导电织物分别用于人体运动信号的监测和连接电路的柔性可拉伸导体。(2)采用喷涂法将碳纳米管引入镀银织物表面,构建具有Ag NPs和CNT交替导电层的复合导电织物,并用PDMS对其进行疏水改性,得到PDMS/Ag/CNT/Ag/PDA/Fabric基传感器。高长径比的CNT可以在Ag NPs之间充当“桥梁”作用,连接拉伸时由脆性Ag NPs导电网络产生的裂纹,在保持较高灵敏度的同时提高传感器的应变范围。因此,传感器表现出良好的导电性和传感性能,表面比电阻约为8Ωsq,应变范围为0-50%,平均灵敏度为43。此外,传感器还具有良好的疏水性能(接触角为141°)、抗弯曲性能(180°弯曲200次后电阻仅增加1.8%)及耐磨性能(摩擦100次后电阻仅增加了4.7%)。最后,传感器可以实现对人体运动(手腕弯曲、吞咽等)信号的监测。

关键词：导电织物化学镀银碳纳米管应变传感人体运动监测