微结构化柔性压力传感器的性能增强机制、实现方法与应用优势

柔性压力传感器具有易共形、高灵敏、快响应等特点,是发展物联网、可穿戴电子、触觉人工智能等领域的关键核心器件。通过敏感功能材料开发、功能层微结构设计、微纳制造方法优化等策略,可提升柔性压力传感器的综合性能,扩张其应用场景。其中,功能层微结构的创新设计被普遍认为是增强柔性传感器性能最有效的手段之一。本文综述了近年来基于微结构化的柔性压力传感器的最新研究进展,围绕微结构对于柔性压力传感器性能增强的机制、微结构的设计与实现方法以及微结构化柔性压力传感器在人机交互、医疗健康等领域的应用等方面进行详细阐述,并在此基础上对其未来发展方向进行展望。     

柔性钯-银纳米线电极用于非酶葡萄糖检测

糖尿病现已成为困扰全球人类健康的突出问题。微创检测血糖给患者带来不便和痛苦,而可穿戴无创血糖检测正成为研究和关注的热点。采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)为柔性基底,以均匀涂布的银纳米线(Silver nanowires, AgNWs)为导电层,利用电化学方法将钯纳米粒子均匀沉积在AgNWs上,制备出不同沉积圈数的新型钯-银纳米线(Pd-AgNWs)柔性电极。以其作为工作电极,采用循环伏安法检测葡萄糖,发现沉积25圈钯的Pd-AgNWs电极在葡萄糖检测中具有最佳的电化学响应。优化了检测葡萄糖的实验条件,采用电流-时间法检测葡萄糖的两段线性范围分别为0.02～0.5 mmol/L和1～4 mmol/L,检出限为1μmol/L(S/N=3),响应灵敏度为33.18μA/cm²(mmol/L)。此电极表现出良好的重现性、稳定性和选择性,在无创唾液葡萄糖检测中具有良好的应用前景。     

柔性导电高分子复合材料在应变传感器中的应用*

柔性和可穿戴传感器最近十几年来的发展,使得它们在个性化医疗、人机交互和智能机器人等方面拥有良好的应用前景。由导电材料和弹性聚合物组成的柔性导电高分子复合材料具有高的可拉伸性、良好的柔韧性、优异的耐久性等优点,可用来制备传感范围宽、灵敏度高的柔性应变传感器。本文综述了基于柔性导电高分子复合材料的可拉伸应变传感器的分类(填充型、三明治型、吸附型应变传感器)和传感机理(隧穿效应,分离机制,裂纹扩展),并详细介绍了传感器所用复合材料的结构设计,包括内部结构(双逾渗网络、隔离、多孔、“砖混”结构)、表面结构(微裂纹、褶皱结构)和宏观结构(纤维状、网状、薄膜结构)。内部结构设计可降低材料的逾渗阈值,表面结构设计可提高传感器性能,每个宏观结构都有自己的特点。最后对应变传感器的材料选择、制备工艺、结构设计、附加性能、集成技术和应用方向等方面进行了展望。     

微纳结构柔性压力传感器的制备及应用

柔性压力传感器是一种能够感知或监测外界压力变化的柔性电子器件,具备灵敏度高、形变灵活、制备工艺简单等特点,在可穿戴式电子产品、健康医疗、软体机器人、人机交互等新兴领域具有广泛而重要的应用。灵敏度、检测极限、响应时间与循环工作稳定性是柔性压力传感的核心性能指标,微纳结构的引入对提高柔性压力传感器综合性能具有重要作用。本文根据微纳结构的主要类型介绍了基于微纳结构的柔性压力传感器的最新研究进展,包括各种不同形貌微纳结构对柔性压力传感器性能的影响及其在柔性压力传感器中的应用,并对柔性压力传感器未来的发展提出展望。     

柔性可穿戴传感器件与储能器件的发展现状与挑战

随着人们生活质量与对可穿戴监测设备需求的提高以及物联网、人工智能和人机交互等科技水平的发展,能够对人体生命体征信号采集、转化与识别的可穿戴柔性电子装置成为连接智能生物与非智能机械装置的桥梁. 可穿戴柔性电子器件对人体生命体征信号的采集包括人体脉搏、温度、皮肤应变、呼吸和心跳等指标. 本文总结概述了近年来可穿戴柔性传感器对人体生命信号采集的现状以及存在的问题和挑战,并对可穿戴柔性供能器件做了简要的总结和展望.     

单晶二氧化钛纳米线的制备及其在柔性染料敏化太阳能电池中的应用

采用强碱水热法制备单晶二氧化钛纳米线(SCTNW),在高压高温和强碱作用下,二氧化钛颗粒的(010)晶面被NaOH溶液侵蚀,生成钛酸钠(Na2Ti4O9);经过酸洗后,生成钛酸水合物(H2Ti4O9·H2O),钛酸水合物之间通过氢键连接成线状;烧结失水后,最终形成SCTNW.通过透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、X射线能量散射谱(EDS)和X射线衍射(XRD)等手段进行表征和测试,分析了SCTNW的形成过程,探讨了水热时间对SCTNW形成的影响;将获得的SCTNW共混在二氧化钛纳米颗粒的胶体中,采用刮涂法在柔性钛箔上制备了染料敏化太阳能电池(DSSC)光阳极,通过扫描电子显微镜(SEM)、交流阻抗谱(EIS)、紫外-可见(UV-Vis)分光光度计和电池光电性能等表征和测试,探讨了SCTNW的共混量对柔性DSSC光电性能的影响.实验结果表明:当共混7.5%(w)的SCTNW时,所制备的柔性DSSC在100mW·cm-2模拟太阳光照下,光电转换效率达到6.48%.     

溶液法制备柔性压阻式传感器的研究进展

柔性压阻式传感器具有结构简单、易于制备、检测范围广等优势, 在可穿戴电子器件领域中扮演着非常重要的角色. 在制备柔性压阻式传感器的众多方法中, 溶液法由于操作简单、反应条件温和、材料的适用性广泛、易于规模化制备等优势, 成为极具发展前景的制备工艺. 在此基础上, 如何进一步提高柔性压阻式传感器的力学与电学性能也成为研究者们更加关注的话题. 另外, 制备图案化、微型化、规模化的传感器阵列为柔性压阻式传感器的应用范围拓展了新的道路. 本综述首先介绍了柔性压阻式传感器的工作原理与性能指标, 同时讨论了其性能指标对传感器在实际应用中的影响. 随后, 简单介绍了其构成材料, 并通过梳理近年来溶液法制备柔性传感器的研究成果, 选取了几种典型的溶液法制备方法进行重点介绍, 指出其具备的优势及目前存在的问题. 最后, 对溶液法制备柔性传感器的发展方向进行总结与展望.     

基于自组装修饰银纳米线透明电极的柔性有机太阳能电池

银纳米线(AgNWs)透明电极具有出色的挠曲性和高电导率,是一类非常有潜力的柔性透明电极材料.然而AgNWs透明电极还存在表面粗糙度大、与衬底的附着力差、表面功函数与活性层能级不匹配等问题.针对上述问题,采用刮涂方法将AgNWs嵌入聚酰亚胺薄膜中,获得表面平整的AgNWs柔性透明电极,并通过Ag与巯基基团相互作用将五氟苯硫酚自组装到AgNWs电极表面,使AgNWs电极表面功函数从未处理的-4.88 eV提高到-5.06 eV,从而使其与活性层能级更加匹配.利用该电极作为柔性透明电极,在不采用任何阳极界面层的情况下制备的柔性有机太阳能电池最佳能量转换效率达到11.77%.本工作为AgNWs柔性电极的制备及功函数调控提供了新的研究思路,并为发展基于AgNWs柔性电极的高效柔性有机太阳能电池提供了一种简单有效的解决方案.     

柔性可穿戴传感器及其应用研究

可穿戴传感器可以贴合人体皮肤或与纺织品整合用于监测人体生理状况,具有较高灵敏度和集成性。近年来,可穿戴传感器已被广泛应用于汗液、呼吸、心率和血氧等生理状况的监测。由于可穿戴传感器需要长时间舒适穿戴于人体,并且需要避免人体活动产生的形变影响,因此,柔性是评价和改良可穿戴传感器的一个重要参数。本文首先综述了不同柔性材料的研究进展,概括了基于不同柔性材料的可穿戴传感器的构建及应用,最后讨论了这些柔性可穿戴传感器当前面临的挑战、应对策略以及未来的发展方向。     

基于银纳米线复合透明电极的可弯折柔性聚合物太阳能电池

本文设计了一种可以通过刮涂方法制备的基于银纳米线(AgNWs)的柔性复合透明电极,并以此为基础实现了高性能柔性聚合物太阳能电池的制备。 基于银纳米线的柔性复合薄膜(APA)由银纳米线(AgNWs),聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和铝掺杂氧化锌(AZO)纳米粒子在低温下通过多层刮涂的方法制备。 APA透明复合薄膜在550 nm处透光率达到90.90%,面电阻低至13.01 Ω/sq,在柔性基底上具有很高的粘附性。 在透明的APA/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上制备的柔性聚合物太阳能电池(PSCs),能量转换效率达到5.47%。 而且以5 mm为曲率半径,经过1000次循环弯曲实验,电池的能量转换效率仅下降了14%。     

锰基配位聚合物的简易合成、结构及其在葡萄糖电化学传感中的应用

利用刚性配体6-（3-吡啶基）间苯二甲酸（H₂PIAD）,制备了一种基于Mn （Ⅱ）的配位聚合物{[Mn （PIAD）（DMF）]·H₂O}_n（1）。采用后合成Ag纳米颗粒的策略制备了复合材料（Ag@1）以提高葡萄糖传感的电催化活性。在优化的外加电位下,通过计时电流法评估了Ag@1修饰的玻碳电极（GCE）的电催化性能。配位聚合物1为在其表面的Ag纳米颗粒均匀分布提供了固定基质,而且Ag@1传感器可以最大限度地发挥Ag与1结合对葡萄糖氧化的电催化协同效应。结果表明,Ag@1修饰的GCE对葡萄糖的检测性能良好,检出限低（6.36 μmol·L^-1）,选择性和灵敏度好（166.71 μA·L·mmol^-1·cm^-2）。     

柔性一体化电化学传感器检测汗液的pH值及尿酸浓度

分别以木犀草素和L-精氨酸作为pH值和尿酸(Uric acid, UA)的功能选择性试剂,与碳粉混合,掺杂在聚氯乙烯(PVC)成膜液内,制成pH柔性薄膜电极(pH flexible electrode, pH/FE)和尿酸柔性薄膜电极(UA flexible electrode, UA/FE)。将pH/FE、UA/FE、自制薄膜凝胶型Ag/AgCl参比电极、Pt丝电极平放在塑料薄膜上,用含有饱和KCl的聚乙烯醇-琼脂膜包埋四电极,露出工作电极表面,构成贴敷式柔性一体化电化学传感器(Flexible integrated electrochemical sensor, FIES)。连接pH/FE,将pH 2.00～8.00的磷酸盐缓冲溶液(PBS)分别滴涂在FIES表面,结果表明,在方波伏安曲线上出现一个氧化峰,峰电位与pH值呈线性关系。将含有UA的PBS滴涂在FIES表面,连接UA/FE,采用方波伏安法研究了UA的电化学行为,氧化峰电流与UA浓度在5.0×10^-6～1.3×10^-4 mol/L范围内呈线性关系,检出限为2.0×10^-...     

柔性热电材料的研究进展及应用

热电材料是能够实现热能和电能直接相互转化的一类新型能源材料,在温差发电和半导体制冷两方面有重要应用。与传统热电材料相比,柔性热电材料具有形状可弯曲、重量轻和环境友好等优点,在可穿戴设备及其他柔性电子领域具有较好的应用前景。当前,如何进一步提高柔性热电材料的性能,特别是如何协同优化其柔韧性能与热电性能是研究的关键。本文结合近年的研究热点,综述了聚合物基柔性热电材料、碳基柔性热电材料和无机半导体类柔性热电材料的研究进展,详细介绍了这三类柔性热电材料的特点、性能优化以及制备方法,总结了柔性热电材料在电子、医疗和工业等领域的应用,并结合现存的一些问题和不足对柔性热电材料今后的研究方向进行了展望。     

基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器

近年来,随着互联网和人工智能的发展和普及,轻薄便捷、电子性能优异的柔性压力传感器作为可穿戴电子设备的核心器件,拥有了越来越广阔的市场。柔性压力传感器具有灵活柔韧、可折叠、传感性能优异等优点,因而在电子皮肤、运动检测、医疗监测和人机界面等方面已引起广泛的关注。构筑微纳结构是提高压力传感器灵敏度和传感性能的关键。基于此,本文首先总结了高灵敏度压力传感器的传感机制(压阻式、电容式、压电式和摩擦电式)和关键性能参数(灵敏度、压力检测范围、检测限、响应/恢复时间、循环稳定性和线性度等),然后归纳了利用基材构建表面微纳结构(微凸结构、荆棘结构和褶皱结构)和利用导电材料构建微纳结构(微球结构、海胆状结构、蜂窝状结构)的柔性压力传感器的研究进展及其优缺点,总结了基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器在脉搏监测、电子皮肤、运动检测和人机界面等方面的应用现状。最后,从今后应用的角度出发,概述了高灵敏度柔性压力传感器即将面临的挑战及未来发展方向。     

用于柔性应变传感器的离子凝胶的研究进展

随着生活智能化和生产数字化的发展,人们对于柔性传感器、柔性储能器件、柔性显示屏等柔性电子器件的需求和要求逐渐提升,这迫切需要开发具有优良拉伸性能、高透明度和适用温度范围大的柔性导电材料。离子凝胶是一种将离子液体限制在固态三维网络结构的导电弹性材料,其在耐热性、稳定性和力学性能等方面有着明显优势,在柔性电子器件的制造中有着巨大应用潜力。本文将从构成离子凝胶的固态三维网络的分类、结构与性质的改进来综述离子凝胶在柔性应变传感器的研究进展并对离子凝胶的研究发展趋势进行展望。     

化学剥离碳化钛纳米片辅助合成可控尺寸的银纳米线

银纳米线(Ag NWs)是制备柔性透明电极(TCs)的重要材料,但目前使用多元醇还原法合成的Ag NWs直径较大,影响所得Ag NWs薄膜的光学和电学性能.本文利用MXene辅助合成Ag NWs,通过控制纳米片尺寸实现了不同直径Ag NWs的生长.利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)研究了其生长机制,揭示了MXene同时作为还原剂和成核剂的重要作用.本工作发现MXene作为一种新型二维层状材料可用于辅助合成高质量Ag NWs,使其有望成为新一代高性能柔性透明电极材料.     

基于仿生MXene纤维导电网络的柔性透明电极及电容传感器

为了开发具有优良性能的智能伪装隐身器件,使用预模板法制备了柔性透明电极.以叶脉纤维为预模板,在其表面沉积金属碳化物/氮化物（MXene）,从而开发了具有透明有序导电网络结构的透明电极.叶脉表面的羟基基团与导电材料的表面活性基团的相互作用极大地提高了导电材料与基底的表面结合力.此柔性透明电极在透光率为80.6%时,方阻为11.4Ω/sq,有效地避免了光电特性之间的“权衡”效应,且在1000次弯曲循环下电阻几乎保持不变,具备良好的耐久性和稳定性.将此透明电极成功制备透明电容式传感器,其灵敏度可达0.09 kPa^-1,且在1000次循环之后相对电容基本保持不变,具有出色的传感性能和耐久性,可以在人难以察觉的状态下监测人体运动信号.此柔性透明电极和透明电容传感器在可穿戴伪装电子领域具有巨大潜力.     

柔性自支撑碳基复合电极在过氧化氢的电化学传感中的应用

随着人们对癌症早期诊断和治疗的重视,开发高效可靠的检测方法对细胞内生物活性物质进行原位实时监测意义重大,电化学生物传感系统因灵敏度高、检测速度快、稳定性和选择性好等优点,在H2O2检测中展现出重要的应用价值.H2O2是一种活性氧,与肿瘤细胞等的生理活动密切相关.开发检测癌症生物标志物H2O2的电化学生物传感系统有着巨大...     

棉布的功能化及在柔性电极中的应用

开发导电性强、柔性良好的电极基底材料对制备性能优越的柔性超级电容器具有重要意义。本研究利用聚多巴胺的黏附性和弱还原性在棉布表面形成连续分布金属银层。采用XRD,SEM对镀层的成分和形貌进行表征,对镀层的增厚率、表面方阻等进行分析,并探索了不同银溶液浓度对材料导电性和电化学性能的影响。结果表明,当银溶液浓度为15 g·L^-1时,材料方阻最小,且低于碳布电极,作为超级电容器柔性基底材料,对活性炭电极进行电化学性能测试,电流密度为1 A·g^-1时,电极的比容量达到233 F·g^-1,是普通碳布基底的1.6倍,经过1000次长循环后电极的比容量增大1.02%。     

柔性硅纳米线阵列的制备及光催化性能研究

硅纳米线阵列是利用太阳能解决能源和环境问题的重要材料,然而,可用于柔性器件和生物相容性器件的柔性硅纳米线阵列的制备方法非常有限。本文通过化学气相沉积,以及高分子转移的方法,成功制备了具有不同高分子层厚度的柔性硅纳米线阵列,并研究了高分子层厚度对柔性硅纳米线阵列光催化性能的影响。结果表明,高分子层厚度越小,柔性硅纳米线阵列的光催化性能越强。因此,利用本文提出的制备方法得到的高分子层厚度低至5 μm的柔性硅纳米线阵列,具有作为高效柔性太阳能电池和全光解水系统光电极的潜力。同时,该研究结果也为设计具有高效光能转换能力的柔性纳米线阵列提供了重要依据。