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河北工業大學柔性可穿戴傳感研究獲突破

近年來,随着電子技術的快速進步,越來越多的電子設備正在向着小型化、柔性化和可穿戴方向發展。柔性可穿戴傳感器由于其在空氣質量檢測,人體運動檢測、健康醫療等方面的巨大市場潛力而受到廣泛關注和研究。

2018年度,河北工業大學材料科學與工程學院/能源裝備材料技術研究院殷福星教授團隊,苑文靜副研究員在柔性傳感器領域進行了一系列研究,取得了突破進展。相關研究成果發表于Journal of Materials Chemistry A,ACS Applied Materials & Interfaces,Journal of Materials Chemistry C,Sensors and Actuators B-Chemical等國際著名SCI一區期刊。

傳統的平面結構薄膜不利于氣體分子的擴散和穿透。該課題組提出結合靜電紡絲和自組裝技術,制備MXene/聚合物三維纖維骨架。三維骨架可提供高度互連的多孔結構,有利于有機氣體分子的擴散,吸附和脫附。MXene表面豐富的修飾官能團(–OH,–O,–F等)可進一步為氣體分子提供活性吸附位點。通過自組裝技術可獲得極薄(單層或寡層)的MXene傳感層,具有高比表面積,可有效使活性吸附位點全部暴露。該傳感器可在室溫下連續工作,對微量極性有機氣體(丙酮、甲醇和乙醇)具有高靈敏度(0.10-0.17ppm-1),低檢測限(50ppb),極寬的傳感範圍(ppb級至飽和蒸氣),以及良好的重現性和可靠性。同時,該傳感器可在室溫條件操控和使用,并具備良好的柔性,有望集成于便攜式可穿戴設備。

此外,該課題組采用類彈簧結構的包芯紗作為柔性骨架,表面組裝二維片層結構石墨烯,得到包芯紗-石墨烯複合網膜作為應變傳感器的導電層,替代表面平整的平面導電層。複合網膜特殊的類彈簧網狀結構對外界機械刺激極為敏感,使傳感器在靈敏度和檢測限等方面的性能均有大幅度提高。該傳感器可檢測拉伸、彎曲、壓縮和微弱震動等多種形變。具有高靈敏度、低檢測限、寬傳感範圍、良好的柔性和穩定性。可實現原位檢測人體活動(如關節彎曲),和生理信号(如脈搏、呼吸等),為電子皮膚的發展提供了技術支持,具有重要的研究意義和實際應用價值。

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