碳-高分子复合二维薄膜的构筑及其在柔性电子皮肤领域的应用研究

发布时间：2024-03-01 06:26

　　电子皮肤可模仿人体皮肤对外界环境(包括对压力、温度及化学等刺激)的感知,因而可广泛应用于人工智能和医学诊断等领域。尽管近年来电子皮肤研究取得了长足进展,但仍然还存在感应材料的响应灵敏度不足、稳定性和抗干扰能力较差及感应的范围窄等诸多问题,这些限制了其实际应用。要解决以上问题,选用具有优异性能的活性材料和设计合理的器件结构是关键。石墨烯,因其优越的导电性、可弯曲性以及良好的化学可修饰性能成为制造高性能柔性传感器最常用的活性材料之一。然而,由于石墨烯本身无弹性,化学结构单一,因而在构筑柔性器件时,往往需要与柔软,结构丰富的高分子进行复合,同时又能尽量保持其本身性能。因此,研发出有效的方法将碳基材料与高分子有效复合,对开发出高性能柔性可穿戴器件至关重要。在本文作者开发新型高分子-碳材料的纳米仿生异质结结构与非对称复合结构来构筑电子皮肤。完成的主要工作如下:(1)通过仿生原理,合成石墨烯-聚多巴胺纳米异质结材料并使用其构筑高性能柔性水分子快速检测器件。该器件可以实现对说话,呼吸等引起的快速湿度波动信号的精确检测。以此为基础开发一套能够通过非接触方式监测呼吸,皮肤活动等人体关键生理指标的可穿戴系...

【文章页数】：130 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图1.1电子皮肤发展演变的简要年表。[8]

近年来,已经实现了电子皮肤的发展和进步的显着进步,其中特别强调模仿人体皮肤的机械柔顺及高灵敏的特性。Suo[2]及其同事已开发出可拉伸电极,Rogers[3]及其同事通过使用由可拉伸互连连接的超薄(100nm)薄膜,将典型脆性硅材料转变为柔性高性能电子材料。Someya[4]及....

图1.2电子皮肤的功能与特性

如图1.2所示,本章节将着重概述了电子皮肤涉及的关键科学问题及技术难点,这将为我们后期电子皮肤的设计与制备提供指导意义。1.2.2.1模仿皮肤生物传感功能

图1.3人体皮肤结构及其中的各类传感器:a)人体皮肤中温度感受器对温度变化产生的响应电位。b)皮肤中力感受器的位置示意图。c)四中机械力力感受器的及其功能,响应速度和分辨率。[9]

为了模拟自然的触觉,首先要理解人体皮肤的结构和工作原理。如图1.3所示,人体皮肤的感觉感受器可分为疼痛感受器、冷感受器、热感受器和四种机械力感受器。[9]这些感受器将信息编码为不同频率和强度的脉冲电压,称为动作电位。温度由不同的冷热传感器感知,范围约为5℃至48℃。四种机械感受器....

图1.4电子皮肤在诸多领域的应用。[12]

随着电子皮肤材料的发展,能够模仿人类皮肤的诸多功能已经被开发出来了,例如力传感与成像、自修复、温度感应等功能,此外,很多人类皮肤不具备的功能比如分子感应、磁感应、柔性显示、无线传输、柔性储能、柔性集成电路、电子签名等功能也出现在电子皮肤上面[12](图1.4)。这些功能已经被证明....

本文编号：3915556