摘要
随着科技的发展，人们对柔性可穿戴电子设备的需求越来越高。其中柔性应变传感器因在健康监测、运动检测、人工电子皮肤和智能机器人等领域的应用，从而引起研究者的广泛关注。提高其核心特性，包括柔性、灵敏度、传感范围、响应时间、稳定性、耐久性等，一直是主要研究方向。然而，宽响应范围和高灵敏度始终难以兼得，很大程度限制了柔性应变传感器的发展。其次，目前已开发的柔性应变传感器，其功能不够丰富，很难实现对传感特性的调控，且其制备工艺相对复杂，成本昂贵。基于此，本研究利用丝网印刷工艺，创新性的开展针对传感功能层的结构设计，设计一系列图案化导电网络，制备出综合性能优异的柔性应变传感器。通过传感功能层多样化图案设计，实现对外部刺激的差异性响应，从而调节传感器的灵敏度及检测范围等传感性能参数。具体研究内容如下： (1)通过单通道(直线形、单蛇形)导电网络的图案化结构设计，以热塑性聚氨酯(TPU)薄膜为基体，以石墨烯纳米片(GNS)改进的商业碳油墨(C)为导电油墨，利用丝网印刷工艺制备出具有直线形以及单蛇形导电网络的TPU/C-GNS裂纹基应变传感器。比较了两种导电通路下应变传感器的灵敏度以及响应范围并探究其裂纹扩展机理。相较于直线形裂纹基应变传感，蛇形裂纹基应变传感器得益于其结构的高延展性，响应范围扩大近2倍左右，在相同应变范围内(0-20%)单蛇形裂纹基应变传感器灵敏度值为38.3，直线形裂纹基应变传感器灵敏度值能够达到54。通过改变导电网络形状，实现了传感器灵敏度以及响应范围的调控。 (2)为进一步提高TPU/C-GNS应变传感器的稳定性，利用单蛇形通道错位并联形成复合蛇形导电网络，通过丝网印刷工艺制备出具有多通道导电网络的裂纹基应变传感器。新型的导电网络在拉伸过程中表现出可控的裂纹形态，这使得所制备的传感器具有出色的传感特性，包括高灵敏度(GF=2391.5)、宽检测范围(范围高达132%)、低应变检测极限、快速响应时间(约40ms)以及出色的耐久性(超过2000次拉伸／释放循环)。得益于以上优异的综合性能，传感器可以准确地检测到细微的生理信号以及大范围的肢体动作。通过模块化开发，利用无线网络技术，实现了传感信号的远距离无线传输，在远程实时运动监测以及智能移动诊断方面显示出巨大的应用潜力。本研究为制备具有优异综合性能的新型应变传感器提供了有效的策略。
NETL