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。     

基于3D导电材料的柔性应力/应变传感器

柔性应力/应变传感器作为智能可穿戴设备的重要组成部分,在人体运动检测、健康监测、机器人和电子皮肤等方面得到了广泛应用.其中,3D导电材料(如气凝胶、海绵和泡沫等)不仅拥有3D互连微结构,还具有优异的可压缩性和导电性,在一定程度上解决了传感器同时拥有高灵敏度和宽检测限的难题.本文根据制备3D导电材料的原材料将其划分为生物...     

石墨烯基人工智能柔性传感器

皮肤是人体最大的器官,能够感知和应对复杂的环境刺激。以石墨烯作为核心部件制备的柔性传感器具有很强的刺激感知能力,可以模拟人体皮肤的柔韧性和拉伸性,是目前最具商业化潜力的可穿戴传感技术。本文首先介绍了传感器的压阻式、电容式、压电式、晶体管式等不同工作机制和评价其性能的如灵敏度、检测范围、响应速度等参数,总结了石墨烯的优点和制备方法。结合本课题组在石墨烯复合聚苯胺、银纳米粒子、碳纳米管和量子点等构建多功能石墨烯基柔性传感器的研究基础,从检测对象的种类出发,重点阐述了石墨烯基柔性传感器在检测压力、应变、温度、湿度、化学分子、生物分子和气体等单一目标物的性能以及石墨烯基多功能柔性传感器的应用。最后,对石墨烯基柔性传感器的未来发展方向做了展望。     

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。     

多感知集成的柔性电子皮肤

具有类人皮肤功能的柔性电子皮肤,由于其在可穿戴电子、健康监测、智能机器人、智能假肢等领域具有广阔的应用前景已成为研究热点,这些应用需求对电子皮肤的传感功能、结构特征、信号处理等提出了特殊要求.本综述从人体皮肤感知功能出发,论述了电子皮肤所需具备的关键传感功能和实现方法,包括压力、温度、湿度、流场、材质等信息传感;综述了多感知集成技术,主要分为直接集成法、功能材料法和检测统一法等三种,论述了各种方法的优缺点;最后提出柔性电子皮肤在多感知集成方面所面临的挑战和发展方向.     

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。     

用于细胞检测的微电极传感器设计及传感分析

本文针对肿瘤细胞的活性检测、神经细胞的神经递质检测与巨噬细胞等的氧化损伤检测等细胞检测中的核心问题,简要介绍电化学生化传感器和传感方法在细胞检测领域的应用和发展,重点对不同微电极结构的电化学传感器的设计制作、细胞检测方法及应用进展进行了综述。电化学生化传感器从单一检测电极向集成多功能和阵列式电极发展,从单个电极传感检测模式向芯片集成微电极式传感系统发展,而在其生物相容性、检测限和检测效率等方面尚需进一步提升和拓展。基于微机电系统(MEMS)技术制作的微电极研制,电极表面的多种化学和生物修饰的敏感膜研究,从硅基到聚合物柔性基底电极的材料拓展,小体积、植入式、可穿戴式的电化学生化传感器研制等是目前发展的方向,其在临床检验、精准医疗、运动健康监测、老年健康服务等诸多领域中显示出巨大的应用前景。     

柔性可穿戴电子传感器研究进展

随着智能终端的普及,可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景.传感器作为核心部件之一,将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展.柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点,使其成为最受关注的电学传感器之一.综述了近年来柔性可穿戴电子传感器的研究进展,包括压阻、电容、压电、力致发光和摩擦电等信号转换机理,金属、无机半导体、有机和碳材料等柔性可穿戴电子的常用材料,柔性电子传感器的印刷制造及其在体温和脉搏检测、表情识别和运动监测等方面的最新应用,最后提出了柔性可穿戴电子传感器面临的挑战与未来发展方向.     

基于二维材料的柔性可穿戴传感器件研究进展

柔性可穿戴传感器是附着于人体皮肤或组织上的监测装置,可以持续监测和量化特定微环境变化所产生的电信号或化学信号,在医学诊断和治疗方面具有广泛的应用前景.二维材料具有原子薄层的平面结构、优异的机械柔性和电学性能,非常适合用于构建可穿戴传感器.近年来,基于二维材料的柔性传感器在材料制备、工艺设计和设备集成等方面取得了巨大的进...     

薄膜基荧光气体传感器中的涂层化学

近年来,高性能薄膜基气体传感器的研制备受关注,所涉及的涂层化学已经成为物理化学学科发展的一个热点。传感因分析物与敏感层(涂层)物质相互作用引起薄膜特定静态及动态物理量变化而实现,因此,薄膜传感性能势必受到敏感层物质种类和敏感层微纳结构等因素影响。就薄膜基荧光传感而言,荧光敏感物质的结构和性质对薄膜传感性能起着至关重要的作用。同时,因毛细凝结、色谱效应、尺寸效应、分子间相互作用等因素的存在,敏感层微观结构也极大地影响着薄膜的传感性能。本文结合课题组近期研究工作,简要讨论薄膜基荧光气体传感器研究中的涂层化学基本问题,以及相关薄膜基荧光传感器在隐藏爆炸物、毒品、挥发性有机污染物检测/监测等方面的应用探索。最后,文章展望了薄膜基荧光气体传感器的发展前景和所面临的主要挑战。     

导电水凝胶基柔性电子传感系统——柔性电子创新实验设计

导电水凝胶兼具生物医用材料和导电材料特征,可应用于医疗康复、运动监测和人机交互等领域。为提高柔性电子学专业本科生的创新意识与实验技能,本实验设计了一种纳米凝胶材料交联的导电水凝胶,通过探索加聚型水凝胶聚合过程中引发剂浓度和交联机制,阐明材料结构组分对水凝胶基柔性电子器件使用耐久性能及传感性能的影响。通过创新实验设计,柔性电子学专业本科生可以学习到高分子乳液聚合、水凝胶制备以及应力应变传感性能表征等知识点,深入理解交联剂结构设计对材料功能性的影响。此外,本实验还设计了基于水凝胶柔性电子传感器的可穿戴传感系统,通过集成可控制小车移动的智能手套,以及用于控制电脑游戏的水凝胶控制器,将前沿科研与本科实验教学任务紧密结合,有利于激发柔性电子、材料、电子信息等专业本科生对于科研的兴趣和创新探索的科研精神。     

用于压力传感的还原氧化石墨烯/丝蛋白基多孔复合材料

利用丝蛋白能够在还原氧化石墨烯片层上发生选择性聚集的特性,制备了还原氧化石墨烯片层上富集有丝蛋白微纤且分散性良好的还原氧化石墨烯片和丝蛋白混合溶液,并通过冷冻以及低温乙醇处理的方法得到一系列不同比例的还原氧化石墨烯/丝蛋白基多孔复合材料.随后,采用溶液浸泡的方法在多孔材料表面再次沉积还原氧化石墨烯,以进一步提高还原氧化石墨烯/丝蛋白基多孔复合材料的压敏导电性.系统观察和测试结果表明,还原氧化石墨烯的引入,不仅使得多孔材料内部出现了相应的微纳结构,同时也提高了多孔材料的力学性能.还原氧化石墨烯/丝蛋白基多孔复合材料在完全湿态下兼具较好的强度和弹性,可以在0%~80%的压缩应变之间实现良好的压缩回复效果和压力传感性能.其中,最佳比例下的还原氧化石墨烯/丝蛋白基多孔复合材料在低压力下的灵敏度可达0.15 kPa?1,在0~17.3 kPa范围内能够高效工作并且具有优异的电学稳定性和耐疲劳性.因此,还原氧化石墨烯/丝蛋白基多孔复合材料因其高灵敏度、宽工作范围、结构可调以及可塑性好等诸多优点,有望在柔性压力传感方面获得较好的应用.     

基于有机场效应晶体管的柔性传感器:材料、机制与应用

有机场效应晶体管是一种优良的传感器载体,具有丰富的传感机制和独特的电信号放大特性.有机半导体具有质量轻便、机械柔性、可溶液加工、分子结构可调等优点,适于制备低成本、大面积、多功能的柔性传感活性层.基于有机场效应晶体管的各类柔性传感器已经广泛应用于智能穿戴、电子皮肤、生物检测、环境保护等领域.本文总结了近年来柔性有机场效应晶体管传感器的研究进展,从材料、机制和应用三个层面出发,介绍有机半导体传感材料的设计原则、有机场效应晶体管的传感机制及其在化学、物理、生物领域的应用.最后,总结了有机场效应晶体管传感器的研究现状和现存问题,展望了有机场效应晶体管柔性传感器的未来发展方向.     

有机智能传感材料与器件研究进展

有机光电子材料具有柔性、低成本、可大面积加工以及分子结构可调等特点,在可穿戴智能器件领域具有巨大的应用潜力.有机分子可以通过结构的设计调节其光学、电学、机械和化学等特性,从而实现丰富的传感功能.有机智能传感器具有快速响应、高选择性、高灵敏和机械柔性等优势,被广泛应用于环境监测、电子皮肤、医疗监测、人机交互等智能感知领域.本文综述了近年来有机智能传感材料与器件的研究进展,包括小分子半导体、聚合物半导体和导电聚合物等有机传感材料,以及化学传感器、温度传感器、光学传感器和机械传感器等有机智能传感器件的前沿应用,重点介绍了目前生物传感器、仿生传感器等智能感知器件和系统的发展现状,并对其未来发展过程中面临的挑战进行了分析.     

纳米氧化锡修饰的微催化燃烧式氢气传感器的研制

研制了一种基于多孔纳米氧化锡(SnO₂)催化剂的微催化燃烧式气体传感芯片(Pellistor). 基于微机电系统(Micro- Electro-Mechanical Systems, MEMS)工艺制备硅基封闭膜式微催化燃烧式传感器, 通过气相沉积技术在Pt微加热电极和高温绝缘层表面制备三维纳米氧化锡催化膜, 利用催化膜对氢气良好的催化特性, 采用惠斯通电桥电路进行测量, 实现对空气环境中氢气在0～4%浓度范围内的快速检测, 响应时间和恢复时间分别达到0.65 s和2.32 s, 灵敏度达75.4 mV/1% H₂, 线性度为99.4%. 考察200 天内该传感芯片对氢气的检测能力, 传感芯片表现出良好的稳定性, 精确度保持在95%以上. 在绝缘层高温性能稳定的条件下, 将三维纳米氧化锡应用于微催化燃烧式传感器的氢气检测, 对催化燃烧式传感器性能的改进具有重要的意义.     

有机电化学晶体管及其在生物电子学领域的应用进展

有机电化学晶体管(organic electrochemical transistor, OECT)具有高跨导、低工作电压和高灵敏度等特点,在逻辑电路、传感器件、健康检测和仿生电子等领域显示出广泛的应用潜力. OECT器件采用独特的液态电解液结构,赋予其优异的水介质稳定性和生物兼容性,能够将微弱的离子和生物信号放大并转换为电学信号输出,因此在生物电子学领域具有内在的应用优势.本文综述了近年来OECT器件在生物电子学领域的研究进展与发展现状,从OECT器件的结构和工作原理出发,重点介绍了OECT技术在生物生理信号监测、生物化学传感和仿生神经形态方面的应用进展,最后讨论了OECT技术在生物电子学领域中仍存在的关键挑战和未来发展方向.     

可穿戴生物电化学传感器的研究与应用进展

随着物联网的发展,可穿戴生物电化学传感器受到了广泛关注。可穿戴传感器件采用液体导体、导电聚合物薄膜、水凝胶等材料作为柔性电极,集优异的机械性能与传感性能于一体,为人们的生产和生活带来了极大的便利,已被广泛用于医疗诊断、健康监测和环境监测等领域。然而,目前可穿戴生物电化学传感器在美观隐形性和生物亲和性等方面仍存在一些问题。本文从可穿戴传感器件的制备工艺及柔性材料入手,概括分析了近年来可穿戴生物电化学传感器件的研究与应用进展,对其所面临的挑战与困难进行了总结,并展望了可穿戴生物电化学器件未来的发展方向,为进一步改进可穿戴传感器件的集成方法、提高其传感性能以及实现智能化信号传输等提供了参考。     

基于热电材料的新型传感器研究进展

传感器作为现代智能工业的核心部件之一,凭借其优良的性能,越来越受到关注.本文总结了热电材料在传感器应用方面的研究成果,特别是硅基、碳基、铅基、碲基、贵金属类、有机类以及催化类的热电材料对传感器高灵敏度、高响应值、高稳定性等方面的影响.已有研究表明,通过在微米纳米尺度合成及加工所形成的低维微纳结构的热电材料,能够获得高ZT值和更高的热电性能.这一特性与传感器微型化方向发展一致.低维微纳结构的热电材料未来必将能够拓展传感器的特性和适用领域,促进传感器朝着高精尖模式的发展.     

用于氨氮检测的薄层氨气微传感芯片及其系统研究

设计并制备了一种具有微池薄液层结构的氨气微传感芯片,并构建了以此微传感芯片为敏感单元的氨氮检测系统,探索了使用安培型氨气微传感器检测氨氮的方法。此微传感芯片采用MEMS工艺制备,通过电化学方法在微电极表面修饰了对氨具有良好电催化氧化性能的纳米铂,提高了传感器的灵敏度。在芯片的SU-8微池中滴入微量碳酸丙烯酯(PC),形成可使氨气迅速扩散到电极表面的薄层电解液,使传感器具有较快的响应速度。使用自行设计的氨氮检测系统对氨氮进行检测,考察了氨氮检测的浓度响应特性、时间响应特性、重复性及选择性。氨氮检测系统的线性范围为0.1～5.0 mg/L;检测下限为0.1 mg/L;响应时间小于1 min;重复性偏差为4.0%。     

基于微流控热泳的生物传感技术※

复杂生命体系中关键分子及微纳生物粒子的高灵敏、高特异检测, 对理解多层次多尺度生物学过程、阐明疾病发生发展机制和探索新型生物标志物等具有重要意义. 微流控生物传感器整合了微流控技术和生物传感技术的诸多优势, 在微量生物样本精准测量方面取得了显著进展. 近年来, 微流控热泳生物传感技术(Thermomicrofluidic biosensing)利用物质在局域温度梯度场中的热泳定向迁移现象, 并结合均相生物传感及信号放大新策略, 实现了复杂样本中生物分子及微纳生物粒子的快速、高灵敏、原位检测. 重点阐述了以热泳为核心的微流控传感技术, 包括微量热泳、热泳-对流耦合、热泳-扩散泳耦合以及热泳-电泳耦合等方法, 总结了不同传感方法的原理、特点及其在生物分子(蛋白、核酸等)与微纳生物粒子(细胞外囊泡、病毒、细胞等)检测中的应用, 并探讨了微流控热泳技术在生物医学检测领域中面临的挑战与未来发展方向.