基于蚕丝蛋白的可穿戴传感器阵列研究

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随着科学技术的飞速发展,柔性穿戴式电子设备受到广泛关注,穿戴式电子设备以其柔性、可穿戴式、多功能集成的特性而备受关注,在人体健康监测、仿生机器人、生物医学、人工假肢等领域具有广泛的应用前景。近年来,以穿戴式设备为基础的电子皮肤的概念被提出,对于穿戴式电子设备提出了更高的要求,电子皮肤的各个组件:传感器、执行器、通信、信号处理、能量收集和存储都需要被研究人员重点关注。传感器作为穿戴式电子设备的关键部分,基于传统的集成电路的制备工艺已经成熟地被应用在传感器的制备上,但是较高的成本以及材料的严格要求,往往限制了其在柔性穿戴式传感器的应用。目前发展的多种柔性传感器制备工艺,如丝网印刷、掩膜喷涂、静电纺丝等具有较为简单的制备流程和可大规模制备的特点,拓宽了柔性穿戴式传感器的制备和应用。同时越来越多的新型传感材料被发现和应用,在进一步拓宽其传感功能的应用时,穿戴式设备的生物兼容性和环境友好性也至关重要。目前的微纳制造工艺对于单一传感功能的柔性穿戴式传感器的制造较为成熟,但单一功能的传感器不能同时满足电子皮肤的多种需求,因此,基于新型材料的多功能穿戴式传感器逐渐被重视起来。本文提出并实现了一种基于蚕丝蛋白的柔性穿戴式复合传感器阵列,集成了三种传感功能,包括温度传感、湿度传感、应变传感。该复合传感器阵列基于蚕丝蛋白这一具有优异生物兼容性的新型材料,以氯化钙-甲酸体系制备出的蚕丝蛋白薄膜为基底,通过丝网印刷工艺在基底上制备出蚕丝蛋白、石墨烯混合功能材料,并用掩膜喷涂工艺在基底上制备了银导电电极。基于不同的传感模式,传感器可以感知不同的外界环境,应变传感可以检测器件拉伸比例在100%-178%范围内的应变,响应速度约为1-2 s;温度传感的检测范围在25℃-48℃,在25-35℃的温度范围内,器件的灵敏度约为8%/℃,在35-48℃的范围内,器件的灵敏度约为1%/℃,器件的最大电阻值变化率可达98%;湿度传感可以检测相对湿度60%-85%范围内的环境湿度,且具有较好的线性拟合度,相对湿度每变化1%,器件的电阻值变化率约为3.02%。此复合穿戴式传感器可以用于人机交互,并可实现对人体触摸、呼吸、关节弯曲等的感知检测,在柔性穿戴式器件领域具有较好的应用前景。
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