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河北工业大学柔性可穿戴传感研究获突破

近年来,随着电子技术的快速进步,越来越多的电子设备正在向着小型化、柔性化和可穿戴方向发展。柔性可穿戴传感器由于其在空气质量检测,人体运动检测、健康医疗等方面的巨大市场潜力而受到广泛关注和研究。

2018年度,河北工业大学材料科学与工程学院/能源装备材料技术研究院殷福星教授团队,苑文静副研究员在柔性传感器领域进行了一系列研究,取得了突破进展。相关研究成果发表于Journal of Materials Chemistry A,ACS Applied Materials & Interfaces,Journal of Materials Chemistry C,Sensors and Actuators B-Chemical等国际著名SCI一区期刊。

传统的平面结构薄膜不利于气体分子的扩散和穿透。该课题组提出结合静电纺丝和自组装技术,制备MXene/聚合物三维纤维骨架。三维骨架可提供高度互连的多孔结构,有利于有机气体分子的扩散,吸附和脱附。MXene表面丰富的修饰官能团(–OH,–O,–F等)可进一步为气体分子提供活性吸附位点。通过自组装技术可获得极薄(单层或寡层)的MXene传感层,具有高比表面积,可有效使活性吸附位点全部暴露。该传感器可在室温下连续工作,对微量极性有机气体(丙酮、甲醇和乙醇)具有高灵敏度(0.10-0.17ppm-1),低检测限(50ppb),极宽的传感范围(ppb级至饱和蒸气),以及良好的重现性和可靠性。同时,该传感器可在室温条件操控和使用,并具备良好的柔性,有望集成于便携式可穿戴设备。

此外,该课题组采用类弹簧结构的包芯纱作为柔性骨架,表面组装二维片层结构石墨烯,得到包芯纱-石墨烯复合网膜作为应变传感器的导电层,替代表面平整的平面导电层。复合网膜特殊的类弹簧网状结构对外界机械刺激极为敏感,使传感器在灵敏度和检测限等方面的性能均有大幅度提高。该传感器可检测拉伸、弯曲、压缩和微弱震动等多种形变。具有高灵敏度、低检测限、宽传感范围、良好的柔性和稳定性。可实现原位检测人体活动(如关节弯曲),和生理信号(如脉搏、呼吸等),为电子皮肤的发展提供了技术支持,具有重要的研究意义和实际应用价值。

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