基于飞秒激光直写金纳米粒子制备柔性应变传感器研究

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面向智能可穿戴电子技术,柔性传感器因可以完美适应非平整的皮肤及衣物表面又不阻碍人体活动,传感信号迅速准确,操作简单快捷等优势,在人体医疗、运动识别、人机交互等领域具有巨大应用潜力。作为智能可穿戴式柔性传感器的主要分支,柔性应变传感器近年来备受人们关注。大多数传统的应变传感器是基于金属材料和半导体材料,由于金属应变传感器的灵敏度仅仅依赖于金属材料的几何效应,传感器的灵敏度(Gauge Factor:GF)较差,通常在2~6之间。基于半导体材料的应变传感器由于其独特的压阻效应具有很高的灵敏度,但可拉伸性能较差、检测范围小、制造成本高,无法满足广泛的应用需求。随着柔性电子技术和纳米材料制备技术的不断发展,基于各种功能纳米材料和柔性基底的新型柔性应变传感器被研究工作者广泛关注。新型柔性应变传感器各项性能优异,相较于传统应变传感器具备更好的可拉伸性能,更高的灵敏度,更快速的动态应变传感能力。然而,目前大多数研究人员主要关注提升柔性应变传感器的性能,对于如何实现高性能的柔性应变传感器小型化的相关工作较少。然而,传感器小型化对于传感器多领域的应用发展具有重要意义。相比于宏观传感器,微型传感器具有许多独特的优势,微型柔性应变传感器功耗低,应用广泛,佩戴舒适度和便携性高,易于实现阵列化传感和分布式测量,同时传感器尺寸的不断缩小有利于不同种类的传感器集成一体化,实现功能强大的传感系统。目前实现微型柔性应变传感器的工艺主要有光刻技术、印刷电子技术和激光加工技术等。光刻技术应用广泛,可以实现高精度、复杂的微结构制备;但制备过程步骤繁琐、传感材料选择受限、并且模板依赖的灵活定位和尺寸选择受限。印刷电子技术工艺流程简单,成本低,可以快速实现多样化的微观结构,然而其加工精度有限,配置打印油墨的过程还需添加多种有毒化学药品。为了解决以上问题,本论文提出利用加工精度高,计算机编程可控,无需掩膜和有毒的化学试剂的飞秒激光直写技术制备了性能优异的微米线柔性应变传感器,并应用于人体健康信号监测,主要研究工作如下:首先,利用滴涂法和高温退火制备了金纳米粒子薄膜柔性应变传感器并研究应变传感性能。接下来,利用飞秒激光直写技术诱导金纳米粒子组装沉积形成微米线,制备了小尺寸的微米线柔性应变传感器。调节激光加工参数,优化提升微米线柔性应变传感器的传感性能,与宏观的金纳米粒子薄膜应变传感器的各项性能参数相比显著提升。在金纳米粒子微米线中包含了大量的纳米粒子短链,短链间的可逆连接使柔性应变传感器具有更加出色的力敏传感性能,传感器的灵敏度高达70.31,线性度为0.999,响应时间为160 ms,恢复时间为120 ms,传感器可以实时传感各种动态应变。进一步探索了微米线应变传感器在人体健康监测领域的应用。将传感器安装在人体不同部位,可以成功实现人体健康信号的监测。附于人体手指、手腕、颈椎的表面,可以检测关节的运动状况;附于喉咙外部,可以检测声带振动用于语音识别;附于手腕桡动脉处,可以检测动脉脉搏波形用于心血管疾病的早期预防和诊断。
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