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微纳电子技术 2014年第11期51卷 685-691,701页

作者：卢忠花王卿璞鲁海瑞袁帅王丹丹山东大学信息科学与工程学院济南250100

综述了近期柔性可穿戴电子的研究进展以及在现代生活中的发展应用,阐明了柔性薄膜电子在医学和生活娱乐等领域的发展方向和潜在应用,特别是在医疗领域,柔性电子的发展与应用将是人们未来生命健康监测与治疗的主流方向。详细介绍了以聚... 详细信息

综述了近期柔性可穿戴电子的研究进展以及在现代生活中的发展应用,阐明了柔性薄膜电子在医学和生活娱乐等领域的发展方向和潜在应用,特别是在医疗领域,柔性电子的发展与应用将是人们未来生命健康监测与治疗的主流方向。详细介绍了以聚酰亚胺等聚合物材料为基底的薄膜电子器件的发展类型,并且阐述了分别以聚合物薄膜材料和导电织物为基底的柔性电子设计。论述了制约柔性可穿戴电子在未来发展研究中的问题,并对柔性可穿戴电子的发展趋势进行了展望。

关键词：柔性可穿戴电子导电织物高分子聚合物薄膜电子器件柔性传感器

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柔性可拉伸有机硅非水凝胶及其贴皮可穿戴电子应用研究

柔性可拉伸有机硅非水凝胶及其贴皮可穿戴电子应用研究

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作者：叶沈杨江西师范大学

学位级别：硕士

柔性可穿戴电子器件能够在（动态）弯曲甚至可拉伸变形条件下正常可靠运行,在个人健康监测与管理、随身能源采集、软体机器人和人机界面交互等领域应用广泛,备受科研人员关注。在柔性可穿戴电子领域中,贴皮可穿戴电子器件作为其中重要... 详细信息

柔性可穿戴电子器件能够在（动态）弯曲甚至可拉伸变形条件下正常可靠运行,在个人健康监测与管理、随身能源采集、软体机器人和人机界面交互等领域应用广泛,备受科研人员关注。在柔性可穿戴电子领域中,贴皮可穿戴电子器件作为其中重要的一种应用,可以贴附在人体皮肤上采集信号、传输数据。目前,有两种途径可以制造贴皮可穿戴电子器件,第一种是实现结构柔性,第二种是寻找本征柔软的材料。实现结构柔性包括研发一维的电子纤维,二维的薄膜,以及分形设计。本征柔软的材料主要有有机硅弹性体和水凝胶,有机硅弹性体有良好的可拉伸性和低介电常数,是常见的柔性电子封装材料。与之相比,水凝胶更加柔软,其杨氏模量与人体皮肤模量（0.1-2 MPa）匹配,但水凝胶仍面临长期保水性差、不耐高低温、不能直接集成电路等问题。如何结合水凝胶和有机硅弹性体两种柔性材料的优点,开发出一种本征柔软、可拉伸、保液性高、低介电常数的贴皮可穿戴电子材料,是本论文的研究目标。（1）以有机硅聚合物的分子链交联形成网络,通过比较不同溶液的挥发性、表面能、与聚合物网络的相容性这几个因素,最终筛选出聚二甲基硅氧烷（甲基硅油）惰性液体作为溶胀液,制备出含液量最高可达92.7 wt%的非水凝胶。该凝胶具有良好的抗冻和抗干燥能力,在-20℃低温环境时,仍能保持透明性、可拉伸性,在120℃高温下,其保液率为100%。详细研究了通过控制甲基硅油的含量,来调节非水凝胶的拉伸应力、应变及杨氏模量的高低,随着溶胀液体所占比例增大,非水凝胶的拉伸比增加。还探究了甲基硅油的粘度对非水凝胶力学强度的影响,实验结果表明,1000 cst甲基硅油作为溶胀液时,力学性能更优。（2）在上述非水凝胶成功制备的基础上,对非水凝胶的聚合物拓扑网络结构进行分析,从聚合物溶胀过程和分子链均匀交联等角度出发,重构聚合物的交联网络。主要通过溶剂置换策略解决聚合物缺陷小网络引起的力学性能差的问题,成功制得兼具柔性、高拉伸强度的有机硅凝胶。对溶剂置换处理后的凝胶进行力学性能测试,其断裂应变是未处理硅橡胶的3.6倍,拉伸强度也明显提高。（3）将非水凝胶应用于贴皮可穿戴电子的封装,首先对非水凝胶的介电性能进行测试,非水凝胶的电导率不随频率的增加而升高,当频率达到80000 Hz时,EO1000（85%）的电导率为1.98×10S/m,证明其特别适于电子元器件的封装。本论文还研究了如何将常规的导电金属线设计成分形结构,从结构设计使刚性金属获得可拉伸性。该金属材料作为可拉伸电路包埋于非水凝胶中,制成柔性电极,柔性电极有着良好的贴肤性和耐疲劳性,非常适合应用到皮肤贴合性要求高的可穿戴电子设备中,比如实时监测人体心率信号。为了使非水凝胶功能化,使用纳米Ti O与非水凝胶复合,起到有效屏蔽紫外线伤害的作用,同时,在该纳米复合凝胶中集成了电子元器件及柔性电路,搭建了具有监测紫外线功能的报警装置,证明非水凝胶材料在贴皮可穿戴领域具有广泛的应用前景。

关键词：柔性可穿戴电子非水凝胶力学强度抗冻抗干燥贴皮式电子器件

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柔性可穿戴压电超声传感器研究进展

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计测技术 2024年第3期44卷 72-83页

作者：张敏修坤皓孙敬尧王子莹赵丽滨河北工业大学机械工程学院天津300401 先进智能防护装备技术教育部重点实验室天津300401

介绍了柔性可穿戴压电超声传感器压电层、背衬层、匹配层、封装层、电极层的结构设计和材料选择,论述了利用有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)技术进行柔性可穿戴压电超声传感器模拟设计的优势,阐述了电极图案化等柔性可穿戴压... 详细信息

介绍了柔性可穿戴压电超声传感器压电层、背衬层、匹配层、封装层、电极层的结构设计和材料选择,论述了利用有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)技术进行柔性可穿戴压电超声传感器模拟设计的优势,阐述了电极图案化等柔性可穿戴压电超声传感器制造领域中的关键技术,分析了柔性可穿戴压电超声传感器在深层组织成像、血流动力学监测、促进骨损伤恢复、辅助透皮给药等领域的应用情况。展望了柔性可穿戴压电超声传感器的发展方向,指出未来可通过应用高性能信号处理技术、改进超声探测成像算法、优化传感器结构设计方案等手段,进一步提升柔性可穿戴压电超声传感器的测量准确性、使用安全性和集成化程度,促进该类传感器市场化、产业化发展。

关键词：可穿戴医疗监测柔性可穿戴电子超声传感器医疗超声结构与材料设计

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可编织柔性纤维状水伏纳米发电机

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中国科学：技术科学 2022年第11期52卷 1659-1668页

作者：冯思佳李连辉刘梦愿郭昀张珽上海大学材料科学与工程学院上海200444 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所苏州215123 材料科学姑苏实验室苏州215123

可穿戴设备在医疗健康、物联网和机器人等领域具有广泛需求,其发展具有小型化、轻量化、柔性化的趋势,然而便携式、持续稳定的能源供给方式是限制其应用的瓶颈问题.基于水伏效应的新型环境能源捕获技术为解决可穿戴设备的持续能源供给... 详细信息

可穿戴设备在医疗健康、物联网和机器人等领域具有广泛需求,其发展具有小型化、轻量化、柔性化的趋势,然而便携式、持续稳定的能源供给方式是限制其应用的瓶颈问题.基于水伏效应的新型环境能源捕获技术为解决可穿戴设备的持续能源供给问题提供了新的机遇.相关研究表明,碳纳米材料在对水能的转换与利用中展现了独特的优势.本文以导电炭黑为水伏材料,通过简易的浸涂法及材料表面浸润性调控,制备了水伏效应和原电池反应产能机制协同作用的可编织柔性纤维状水伏纳米发电机.其在纯水及多种盐溶液中均能实现持续稳定的产电,突破了目前水伏发电机对于水源中极低离子浓度要求的限制.值得一提的是,该水伏纳米发电机可以利用人体汗液直接发电,有望作为柔性可穿戴设备稳定的能源供给方式,解决柔性电子器件的持续能源供给问题.

关键词：水伏纳米发电机环境能源捕获柔性可穿戴电子汗液可编织

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界面制备超薄自粘附共形柔性电子皮肤

界面制备超薄自粘附共形柔性电子皮肤

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中国化学会第十七届全国胶体与界面化学学术会议

作者：梁云肖鹏黄又举陈涛中国科学院宁波材料技术与工程研究所

柔性可穿戴电子产品因在人体健康监测和护理系统中的潜在应用而备受关注。尤其是能够持久共形地附着在器官或皮肤表面上的传感器,它能够实现对微弱信号的检测和长时间的舒适佩戴。[1-3]但是,目前在制备耐久性共形可穿戴传感器上面仍面... 详细信息

柔性可穿戴电子产品因在人体健康监测和护理系统中的潜在应用而备受关注。尤其是能够持久共形地附着在器官或皮肤表面上的传感器,它能够实现对微弱信号的检测和长时间的舒适佩戴。[1-3]但是,目前在制备耐久性共形可穿戴传感器上面仍面临着诸多挑战,比如由于柔性层和刚性层的杨氏模量不匹配而导致界面结合力较差,制备传感器的过程复杂、需要精细和昂贵的仪器。这里,我们在水/空气界面组装一层大面积均匀碳纳米管（CNTs）薄膜[4],再进一步将聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液喷涂到CNTs薄膜的界面上,利用PDMS与水不相容的特点,使得PDMS只包覆暴露于空气中的CNTs,而浸入到水中的部分则暴露在外用于电信号的传输。[5]这种包埋互锁结构使得CNTs薄膜和PDMS基底间具有良好的界面结合力;同时由于CNTs/PDMS复合膜的超薄特性（～20μm）,该膜具有良好的柔韧性,可以共形的转移至任意形状的基底上,保证了其与被检测物表面间良好的结合力,可以适用于长时间的检测。

关键词：柔性可穿戴电子 PDMS CNTs 界面复合

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导电聚合物的界面组装及柔性化学生物传感器构筑

导电聚合物的界面组装及柔性化学生物传感器构筑

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作者：杨东子苏州大学

学位级别：硕士

柔性化学/生物传感器能够将各类化学/生物物质中的分析物信息转换为可测量的电/光信号,结合其生物学和电子学的软功能化接口,在个性化健康监测、即时诊断和物联网领域具有良好的应用前景。在柔性化学/生物传感器中,活性传感材料的设计... 详细信息

柔性化学/生物传感器能够将各类化学/生物物质中的分析物信息转换为可测量的电/光信号,结合其生物学和电子学的软功能化接口,在个性化健康监测、即时诊断和物联网领域具有良好的应用前景。在柔性化学/生物传感器中,活性传感材料的设计对传感性能的提升至关重要。导电聚合物由于其本征机械柔性、结构可调控、可通过低成本溶液法/印刷工艺加工、易于多功能化实现各类传感等特点,被认为是柔性化学/生物传感器中理想的活性传感材料。导电聚合物的化学结构多样性和聚集组装结构的可调性使我们能够针对不同传感器件类型进行结构设计,从而使构筑高灵敏度、高稳定性和高选择性的化学/生物传感器成为可能。界面组装是调控导电聚合物微观形貌、实现特定聚集结构和图案化的有力手段,对导电聚合物界面组装过程的深入理解及针对特定器件结构和功能的活性层组装设计,对于构筑高性能和面向实用化的柔性化学/生物传感器来说至关重要,但这目前仍然是一个巨大的挑战。本文围绕导电聚合物的界面组装过程,分别利用苯胺聚合物和PEDOT:PSS设计了针对两种不同传感器件结构(化学电阻式传感器和电化学晶体管式传感器)的界面组装方法,深入研究了聚合物聚集结构和器件传感性能间的构效关系,并构筑了高性能的化学/生物传感器。研究内容主要包括以下两个方面:(1)前驱体调控界面组装苯胺聚合物薄膜用于高性能气体传感器。探索了具有可控表面形貌、结晶度和膜厚的PANI和TANI薄膜的可控界面组装。采用两种不同的前驱体,即苯胺单体和二聚体,通过表面活性剂辅助的气-液界面组装合成了 PANI和TANI薄膜。结合低剂量透射电子显微镜(TEM)和X射线散射技术(GIWAXS),发现组装的PANI薄膜表现出超平整的表面形貌和较高的结晶度,而TANI薄膜表现出粗糙的表面和无定型的结构。提出了组装过程中决定薄膜的聚集结构的两种组装机制,包括①直接界面聚合机制和②溶液聚合界面自组装机制。基于两种薄膜构筑了化学电阻式的气体传感器,其中PANI薄膜传感器展现出了极高的灵敏度(31.4%ppm-1)和快速的响应(88 s),且具有良好的选择性、稳定性和回复能力。晶圆尺寸薄膜传感阵列的加工能力和柔性气体传感器件的制造也展现出了 PANI薄膜在大规模制造和柔性可穿戴传感器领域中的应用潜力。(2)全喷墨打印界面组装有机电化学晶体管阵列用于多通道汗液检测。探索了PEDOT:PSS溶液通过喷墨打印方法在界面上的图案化组装过程,得到了最优的图案化组装参数。利用全喷墨打印方法在柔性的PI衬底上构筑了三电极共面的平面型有机电化学晶体管,所得到的器件开关比可达2257、跨导可达10.6 mS,并且在多个器件中拥有较好的性能可重复性。将该器件用于离子传感,在0.1-100 mM浓度下能得到对K+、Na+的高灵敏度(25%/dec)、高线性度(R2>0.998)传感。研究了 DMSO后处理对喷墨打印组装的多孔PEDOT:PSS薄膜的聚集形态和传感性能的影响,并以此得到了对于不同离子的差异性响应。通过与栅极修饰PANI、葡萄糖酶的器件相结合,得到了能够对汗液中K+、Na+、pH、葡萄糖等生物标记物响应的传感器件。在集成了PDMS构筑的微流控腔和包含蓝牙模块的外部电路后,传感器件能够实现对人工汗液的流动实时传感和8传感通道数据的手机APP同步读取,有望实现对于人体汗液的多维度高通量检测。

关键词：导电聚合物界面组装生物化学传感器柔性可穿戴电子

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基于液态金属的高弹性电阻式传感纤维研究

基于液态金属的高弹性电阻式传感纤维研究

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作者：陶妍东南大学

学位级别：硕士

可穿戴技术在顺应大数据、云计算、物联网技术的时代背景和市场需求中蓬勃发展,人们对器件的灵活性、便携性和舒适性提出了前所未有的更高要求。传感器是可穿戴设备中信息获取的来源,柔性可穿戴传感器件在健康监测、体育训练、人机交互... 详细信息

可穿戴技术在顺应大数据、云计算、物联网技术的时代背景和市场需求中蓬勃发展,人们对器件的灵活性、便携性和舒适性提出了前所未有的更高要求。传感器是可穿戴设备中信息获取的来源,柔性可穿戴传感器件在健康监测、体育训练、人机交互等领域中正发挥出越来越大的作用。但目前柔性器件的透气性、舒适性、人体不规则表面的适应性仍是一项巨大的挑战。幸运的是,纤维电子器件因其具有的一维结构,可以适应复杂的变形,捕捉到人体三维尺度上的相关变化,为构建以柔性可穿戴器件为基础的新型人机界面提供了全新方案;液态金属作为新型柔性电子材料,因其独特的流动性也受到了广泛关注。本论文提出了四层同轴复合纤维结构,利用柔性和拉伸性优异的聚氨酯纤维作为弹性基底,利用液态金属出色的延展性、流动性、导电性在纤维内芯表面构建传感结构,成功制备出了基于液态金属的高弹性电阻式应变传感纤维。该传感器具有极细的细度、较低的初始模量、优异的导电性、宽工作范围、良好的灵敏度、循环一致性、响应时间和耐久性,且具有良好的防水性能和热效应。在此基础上,论文研究了液态金属在此纤维中的传感特性,建立了传感理论模型,探究了影响传感纤维的关键因素。此外,该器件不仅对于人体大幅度形变和微小形变都具有良好的捕捉能力,能够监测人体手指、手肘、手腕、咽喉等多部位的运动;还可以通过阵列化方法将其传感区域扩展至二维平面,完成压力位置定位和物体感知。该纤维传感器的优异性能及其简单的制备方法使得其在柔性可穿戴传感和织物传感领域具有巨大的潜力。

关键词：纤维传感器应变传感液态金属柔性可穿戴电子

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