【摘 要】
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近年来,可穿戴设备的制备和应用成为研究热点,其中高性能柔性应变和湿度传感器是人体运动检测、电子皮肤等系统的重要组成部分,是构成人体健康监测和人工智能应用的关键技术。受到蜘蛛腿裂纹增敏机制的启发,2014年纳米裂纹金属薄膜柔性传感器实现了对微小应变的超高灵敏检测,从而导电薄膜纳米裂纹增敏的柔性应变传感器得到学界的广泛关注。从已有文献报道看,纳米裂纹导电薄膜柔性传感器多用于压力或拉伸引起的机械变形检测
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近年来,可穿戴设备的制备和应用成为研究热点,其中高性能柔性应变和湿度传感器是人体运动检测、电子皮肤等系统的重要组成部分,是构成人体健康监测和人工智能应用的关键技术。受到蜘蛛腿裂纹增敏机制的启发,2014年纳米裂纹金属薄膜柔性传感器实现了对微小应变的超高灵敏检测,从而导电薄膜纳米裂纹增敏的柔性应变传感器得到学界的广泛关注。从已有文献报道看,纳米裂纹导电薄膜柔性传感器多用于压力或拉伸引起的机械变形检测,所以有必要拓展其应用范围。本文研究多孔海绵结构的电学传感器,主要研究纳米裂纹的镀镍聚氨酯海绵传感器的制备方法、应变敏感特性、湿度敏感特性及其传感应用。本文首先采用离子束溅射沉积的方法将镍原子沉积在聚氨酯海绵的骨架上,形成了具有三维导电网络的镍薄膜/聚氨酯海绵（Ni@PUS）,然后采用机械压缩导致镍薄膜疲劳产生纳米裂纹的方法,在聚氨酯骨架上得到仿生蜘蛛腿的纳米裂纹。通过调整Ni@PUS的压缩次数和压缩程度可以改变纳米裂纹镍薄膜/聚氨酯海绵（TCNi@PUS）的初始阻值,从扫描电镜观察发现样品的纳米裂纹宽度直接影响初始阻值的大小。接下来,我们对TCNi@PUS样品的应变和湿度特性和应用展开研究。TCNi@PUS样品的应变性能测试结果显示,在应变范围0～20%,对应0～3.59 kPa压强范围,压力灵敏度达到0.079 kPa-1,是由于裂纹的电子隧道效应占主导;而在应变范围20～60%,对应3.59kPa～10.77kPa压强范围,压力灵敏度变为-0.094 kPa-1,主要归因于相邻导电骨架的接触形成更多的导电通路。进一步的测试表明,样品的响应时间约50 ms,压强检测极限为0.528 Pa;循环测试超过500次,样品性能保持稳定。此外,TCNi@PUS应变传感器被应用于人体运动检测,可以有效监测握力和喉部的微小运动。在10～95%RH的湿度范围内,TCNi@PUS样品电阻-湿度响应具有线性度好,灵敏度可调,响应/恢复时间快（0.8 s/3.6 s）,湿滞特性良好（湿滞回差约为5%RH）,重复性和长期稳定性好（＞90天）等特性。研究发现,随着相对湿度的增加,聚氨酯海绵吸收水分子发生湿胀,导致海绵骨架上的镍薄膜纳米裂纹间距扩大,从而样品的电阻也随之增大。我们还发现,对于压缩不同次数的TCNi@PUS样品,其聚氨酯线膨胀率与相对湿度之间均具有良好的线性关系（平均斜率为0.0013±0.0001/100%RH）。通过优化金属薄膜纳米裂缝宽度并合理选择聚合物,可以进一步提高此类湿度传感器的灵敏度。最后,TCNi@PUS湿度传感器被成功应用于实时的医疗保健和活动监测,实现了呼吸状态监测、皮肤出汗状态检测和无接触感应的应用。本文利用金属薄膜纳米裂纹增敏机制制备了 TCNi@PUS传感器,在应变应用方面实现了大形变范围内高灵敏压力检测,特别拓展了其应用范围,使其具有优良的湿度敏感特性,有望广泛的应用于人体运动检测、医疗保健等领域。
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