结构化TPU介电层构筑高灵敏柔性压容传感器及其监测性能研究

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随着人口老龄化加剧和新冠疫情的反复出现,慢性病及其并发症的预防监测已经成为当下社会面临的重大挑战,而如今医疗资源的紧缺对社区和家庭用穿戴监测装备的研发提供了前所未有的历史机遇。移动式穿戴监测装备可实时监测人体脉搏、血压及睡眠等状况,为慢性病及并发症患者的预防和预警提供了重要的设备保障。作为穿戴式监测装备的核心,传感器是重要的体征信息采集部件,特别是压力传感器可识别人体各类动作,收集各类症状信息,对很多慢性病积累程度的准确判断起到重要的作用。压力传感器主要分为电容式、电阻式、压电式及摩擦电式四种,而电容式压力传感器不仅可以实现动态压力和静态压力的测量,还具有结构简单、功耗低、稳定性好、温度效应小等优点,是较为理想的穿戴监测装备的传感器。然而,由于常用弹性体介电层的杨氏模量限制,制备工艺限制,电容式压力传感器较难实现高灵敏度,因此,本课题围绕如何提高低成本电容式柔性压力传感器的灵敏度展开了一系列的研究,旨在探索制备流程简单、成本低且稳定高效的方法来制备高灵敏度电容式柔性压力传感器。本课题的主要研究内容如下:(1)织物模板法:以价格低廉且结构规则的不锈钢网格布作为模板,通过两步复制法设计了一种基于微结构热塑性聚氨酯(TPU)介电层的电容式柔性压力传感器。相比于天然模板,这种方法得到的介电层微结构规则、易控制,可规模化生产;相比于光刻、化学刻蚀,这种方法不需要复杂的制备流程和昂贵的专业设备,符合绿色环保的发展理念。介电层的形貌分析结果显示,两次复制法成功将波浪型微结构从不锈钢网格布的模板转移到了TPU介电层上。实验结果表明,当采用300目不锈钢网格布作为模板时,传感器显示出了优异传感性能,主要体现为0.182k Pa-1的灵敏度、快速的响应时间(78ms)、小的检测限(15Pa)及1000次加载/卸载循环下良好的耐久性。最后,利用该类柔性传感器成功演示了监测手指弯曲、握拳、鼠标点击、吞咽等人体运动中的实际应用。(2)牺牲模板法:采用食盐作为牺牲材料向TPU介电层中引入了多孔结构,以连续碳纤维作为电极材料,通过连续纤维3D打印技术制备了一体化的电容式柔性压力传感器。这种方法制造成本低、一体成型,可大规模制备柔性压容传感器,同时还具有3D打印独有的形状可控等优点,这是首次采用连续纤维3D打印技术来制备柔性压力传感器。在一体化的柔性压力传感器中,通过上下两层的交叉打印,在交叉点即可实现电容式压力传感器的构筑。在压力作用下,食盐渗出形成的孔隙为传感器提供了更大的压缩空间,并且提高了介电层的有效介电常数。因此,相比于非结构化传感器,多孔结构传感器表现出更高的灵敏度。实验结果表明,当食盐含量为40wt%时,传感器表现出较高的灵敏度、快速的响应/回复速度(60/80ms)、较好的耐久性(1000次循环)和较好的压力分辨率。实验采用该传感器实现了肢体运行的检测,如手指弯曲、膝盖弯曲、手肘弯曲等。最后设计了4×4的传感器阵列,并证明了该传感器阵列具有感知压力大小和空间分布信号的能力。(3)静电纺丝法:与织物模板法相似,采用具有规则结构的不锈钢网格布作为静电纺丝纤维膜的接收器,并借鉴模板牺牲法构筑静电纺丝膜内部孔隙结构,从而使得介电层同时具有表面微结构及内部孔隙,这种制备方法具有流程简单、成本低且可大规模制备等优点。在制备介电层时,通过静电纺丝技术纺丝形成双重结构TPU介电层,所得压力传感器由双重结构TPU介电层和上下两侧的导电布电极构成。得益于介电层中的大量空气,所制备的传感器呈现出优异的传感性能,包括0.28k Pa-1的高灵敏度,65ms的快速响应时间,出色的压力分辨能力和1000次循环后的耐久性。此外,该传感器可以检测到人体的肢体运动及物体的抓取信号。综上所述,本课题基于微结构TPU介电层、多孔结构TPU介电层及双重结构TPU介电层分别制备了三种高灵敏度结构化电容式柔性压力传感器。最后,各类压容传感器显示出了优异的传感性能和在检测人体运动信号中的实用性,表明了在柔性可穿戴领域的应用潜力。本工作可以为后续快速制备低成本、高灵敏度的电容式柔性压力传感器的研究提供新的启发,为移动式穿戴监测装备在实时监测人体脉搏、血压及睡眠等领域的拓展应用提供新的可能。
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