自供能仿生离子通道压力传感器的研究

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压力传感器在各个领域拥都有非常广泛的应用。近几年大数据、云计算和物联网等概念的提出以及相关基础技术的进步,各类压力传感器也成为了相关技术和部件的基础。随着现代加工技术的不断发展和新型智能材料的突破,基于新结构、新材料和新原理的压力传感器成为研究热点。作为新型传感器的一员,仿生离子通道压力传感器是基于生物学原理设计的可感受待测量并按一定规律转换及输出电学信号的器件或装置。仿生离子通道压力传感器的研究主要集中在两个方面:传感器结构仿生;传感器功能仿生。  本文模仿生物膜中离子通道的功能属于功能仿生。利用部分还原的氧化石墨烯构造层状堆叠结构的薄膜模仿生物膜中离子选择性功能,设计了一种新型的仿生压力传感器,并研究了其工作机制。以下是本文的主要研究内容:  首先,选取部分还原的层状氧化石墨烯薄膜作为敏感材料,模拟生物膜离子通道的离子选择性功能。并且通过引入四角针状氧化锌牺牲模板来调节部分还原的氧化石墨烯的层间距离,进一步提高仿生压力传感器的灵敏度。然后,结合生物膜的特点,设计成“三明治”结构的压力传感器。具体表现为:上、下层是由聚四氟乙烯(PTFE)薄膜支撑的碳浆电极构成,中间层为还原的氧化石墨烯薄膜,氯化钠电解质溶液填充在上下层间。仿生离子通道压力传感器在外界压力下会发生正负电荷分离的现象,使得它具有自供能的特点。基于部分还原的层状氧化石墨烯薄膜的仿生离子通道压力传感器不仅制备工艺简单、成本低,并且具有高的灵敏度(0.57kPa-1)、低的探测限度(1.5Pa)和快速的响应速度(80ms)。最后,对仿生离子通道压力传感器进行了应用测试,实现了人体腕部脉搏检测、气流感知、力的方向和实时的声音震动监测。
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