面向全印刷工艺的可拉伸导电材料及器件

来源 :南京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liyanhao1986
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随着物联网的发展,可穿戴电子传感器件和系统正在以指数级的增长速度,无缝集成到我们的身边。为了推进其集成与商业化,柔性印刷电子技术的发展至关重要。印刷柔性电子是将导电材料按一定的图案印刷至柔性衬底上,形成图案化的导电电路或导电电极。柔性印刷电子具有制造成本低、制作快速、可大规模制造、与柔性系统兼容性高和相对容易集成等优点,它们的共形性质和大面积制备满足新兴应用在各种领域中所规定苛刻的机械和结构的要求,例如可穿戴电子设备、医疗保健、显示器、和人机接口等。尽管当前印刷电子已经取得巨大进展,但其部分组件仍需蒸镀、溅射、刻蚀等复杂工艺来实现,阻碍了其系统的集成。针对于上述问题,本文开发了一种全印刷的柔性可穿戴器件,用于生理信号监测及人机接口。以液态金属/聚苯乙烯基弹性体复合材料为导电电路,以碳纳米管/粘性硅橡胶复合材料为生物传感电极,采用全印刷的加工方式,实现了柔性传感系统的低成本、快速、高效制备。主要内容包括以下几个方面:(1)制备了具备高电导率、优异拉伸性、可印刷的液态金属/聚苯乙烯基弹性体复合材料。通过在盐酸蒸汽中进行后处理,可将印制的复合材料电导率提升至1.1×10 ~4S/cm,并呈现出优异的可拉伸性,在1000%的大应变下仍可维持高导电状态,在200%的应变下循环拉伸1000次后,其电阻与初始电阻几乎一致。(2)制备了具有皮肤粘性的可印刷碳纳米管/硅橡胶复合导电材料。碳纳米管的含量对电导率的影响符合渗滤模型,其最高电导率可达350 S/m,该复合材料的弹性模量为30 k Pa,如此低的弹性模量与皮肤柔软的机械性能相匹配,所制备的电极与皮肤的界面阻抗与商用的Ag/Ag Cl凝胶电极可媲美,可清晰的记录人体的心电信号和肌电信号。(3)开发了基于四通道肌电信号的手势识别系统。使用四通道手势识别系统,通过对手臂的四块肌肉的肌电信号进行动态采集,借助数据分析并进行特征的提取构建数值模型,通过机器学习算法的训练和优化,可完成各种复杂手势动作的描述与后续的识别,识别率达到了90%。综上,我们提出了一种基于全印刷工艺的可穿戴生理监测设备与人机接口。该技术可以实现低成本、快速、规模化的制备,为可穿戴电子器件、健康监测、人机交互的新兴应用提供了广阔的平台。
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