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上海微系統所在石墨烯基可穿戴纖維傳感器方面取得進展

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于收集人體重要信号和人機交互,除實現精确感知所需的高靈敏度特征外,實際應用對傳感器的穿戴舒适度、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。将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确捕捉,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、信号噪聲低、能耗低等優點,可用于電阻型應變傳感器。對于感知心髒跳動、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,從而實現對信号的精确捕捉和對不同動作狀态的準确辨析。然而,石墨烯基纖維傳感器在0-10%應變範圍内的靈敏度一般較低(GF~0.1-50),如何提高石墨烯基纖維傳感器在小應變範圍内的靈敏度是一個難題。

為解決上述問題,中國科學院上海微系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号收集的準确性和對不同動作狀态分析的可行性。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-電阻線性關系可保證在信号後處理上的準确性,>6000次的循環壽命有利于實際應用的穩定性。

将此纖維編織進紗布并作為眼罩,可實時監測眼球的轉動等信息,未來可用于眼疾病人的監測和睡眠監測;同時,将該纖維集成到創口貼中,貼到手腕處,能夠識别手腕脈搏,而且脈搏信号能夠非常清晰表現出脈搏上的不同信号;該纖維也可編入手套,對不同手的彎曲進行感應,表明其對于動作信号準确把控。正是由于小球結構的存在,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 為題近期在線發表于學術期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials),第一作者為上海微系統所博士生黃濤,通訊作者為丁古巧和何朋。

丁古巧課題組長期緻力于石墨烯材料的創新制備和應用基礎研究,相關工作得到國家自然科學基金面上項目、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。

本文來自石墨烯快訊,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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