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上海微系統(tǒng)在石墨烯基可穿戴纖維傳感器研究方面取得了進(jìn)展

分類：行業(yè)動態(tài) 1005人瀏覽 2019-08-23

標(biāo)簽：傳感器分享到：

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的核心元件?？纱┐鲬?yīng)力應(yīng)變傳感器可用于收集人體重要信號和人機(jī)交互，除實現(xiàn)精確感知所需的高靈敏度特征外，實際應(yīng)用對傳感器的穿戴舒適度、重量、可靠性和穩(wěn)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(fā)展趨勢。將傳感器集成到傳統(tǒng)纖維中，利用其可直接編織到衣物的優(yōu)勢實現(xiàn)對人體局部形變的準(zhǔn)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-高分子復(fù)合纖維具有質(zhì)量輕、信號噪聲低、能耗低等優(yōu)點，可用于電阻型應(yīng)變傳感器。對于感知心臟跳動、脈博和眨眼等人體局部微小形變，其應(yīng)變在0-10%范圍，需要傳感器件在發(fā)生形變時結(jié)構(gòu)和電阻變化大，即高靈敏度，從而實現(xiàn)對信號的精確捕捉和對不同動作狀態(tài)的準(zhǔn)確辨析。然而，石墨烯基纖維傳感器在0-10%應(yīng)變范圍內(nèi)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(yīng)變范圍內(nèi)的靈敏度是一個難題。

為解決上述問題，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員丁古巧課題組提出了通過結(jié)構(gòu)化設(shè)計減少石墨烯與高分子接觸面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體系在水相的相分離過程，制備了高分子納米球修飾的石墨烯多孔網(wǎng)絡(luò)纖維，這種結(jié)構(gòu)大幅增強(qiáng)了該纖維在發(fā)生形變時石墨烯片層之間的結(jié)構(gòu)變化，從而實現(xiàn)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(yīng)變時為51，在5-8%應(yīng)變時達(dá)到87，通過編織集成，他們進(jìn)一步驗證了該纖維在人體重要信號收集的準(zhǔn)確性和對不同動作狀態(tài)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(dá)到0.01%，較好的應(yīng)變-電阻線性關(guān)系可保證在信號后處理上的準(zhǔn)確性，>6000次的循環(huán)壽命有利于實際應(yīng)用的穩(wěn)定性。

將此纖維編織進(jìn)紗布并作為眼罩，可實時監(jiān)測眼球的轉(zhuǎn)動等信息，未來可用于眼疾病人的監(jiān)測和睡眠監(jiān)測；同時，將該纖維集成到創(chuàng)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(xiàn)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(jìn)行感應(yīng)，表明其對于動作信號準(zhǔn)確把控。正是由于小球結(jié)構(gòu)的存在，賦予該纖維比普通纖維更高的靈敏度，上述結(jié)果滿足可穿戴應(yīng)變傳感器的要求，體現(xiàn)了石墨烯基應(yīng)變傳感器件在智慧醫(yī)療、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)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(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)，第一作者為上海微系統(tǒng)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于石墨烯材料的創(chuàng)新制備和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目、青年項目(51802337，11774368和11804353)和博士后創(chuàng)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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