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上海微係統所在石墨烯基可穿戴纖維傳感器方麵取得進展

傳感器是物聯網終端設備的核心元件。可穿戴應力應變傳感器可用於收集人體重要信號和人機交互,除實現精確感知所需的高靈敏度特征外,實際應用對傳感器的穿戴舒適度、重量、可靠性和穩定性均有非常高的要求,因此更敏感、小型化、集成化是目前傳感器的發展趨勢。將傳感器集成到傳統纖維中,利用其可直接編織到衣物的優勢實現對人體局部形變的準確捕捉,是可穿戴傳感器件小型化和集成化的重要思路。

石墨烯-高分子複合纖維具有質量輕、信號噪聲低、能耗低等優點,可用於電阻型應變傳感器。對於感知心髒跳動、脈博和眨眼等人體局部微小形變,其應變在0-10%範圍,需要傳感器件在發生形變時結構和電阻變化大,即高靈敏度,從而實現對信號的精確捕捉和對不同動作狀態的準確辨析。然而,石墨烯基纖維傳感器在0-10%應變範圍內的靈敏度一般較低(GF~0.1-50),如何提高石墨烯基纖維傳感器在小應變範圍內的靈敏度是一個難題。

為解決上述問題,中國科學院上海微係統與信息技術研究所研究員丁古巧課題組提出了通過結構化設計減少石墨烯與高分子接觸麵積來提高靈敏度的策略。他們利用石墨烯/聚偏氟乙烯/聚氨酯DMF體係在水相的相分離過程,製備了高分子納米球修飾的石墨烯多孔網絡纖維,這種結構大幅增強了該纖維在發生形變時石墨烯片層之間的結構變化,從而實現石墨烯基纖維靈敏度的顯著提高。其靈敏度因子值在0-5%應變時為51,在5-8%應變時達到87,通過編織集成,他們進一步驗證了該纖維在人體重要信號收集的準確性和對不同動作狀態分析的可行性。同時,這種新型石墨烯基纖維傳感器最低形變檢測限達到0.01%,較好的應變-電阻線性關係可保證在信號後處理上的準確性,>6000次的循環壽命有利於實際應用的穩定性。

將此纖維編織進紗布並作為眼罩,可實時監測眼球的轉動等信息,未來可用於眼疾病人的監測和睡眠監測;同時,將該纖維集成到創口貼中,貼到手腕處,能夠識別手腕脈搏,而且脈搏信號能夠非常清晰表現出脈搏上的不同信號;該纖維也可編入手套,對不同手的彎曲進行感應,表明其對於動作信號準確把控。正是由於小球結構的存在,賦予該纖維比普通纖維更高的靈敏度,上述結果滿足可穿戴應變傳感器的要求,體現了石墨烯基應變傳感器件在智慧醫療、可穿戴設備等領域的應用潛力。

上述工作以Porous Fibers Composed of Polymer Nanoball Decorated Graphene for Wearable and Highly Sensitive Strain Sensor 為題近期在線發表於學術期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials),第一作者為上海微係統所博士生黃濤,通訊作者為丁古巧和何朋。

丁古巧課題組長期致力於石墨烯材料的創新製備和應用基礎研究,相關工作得到國家自然科學基金麵上項目、青年項目(51802337,11774368和11804353)和博士後創新人才支持計劃(BX201700271)以及上海市科委項目(18511110600)的大力支持。

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