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。     

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。     

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.     

纳米碳材料在可穿戴柔性导电材料中的应用研究进展

可穿戴设备的兴起使得对柔性器件的需求日益提高,柔性导电材料作为可穿戴器件的重要组成部分而成为研究的热点。传统的电极材料主要是金属,因金属材料本身不具有柔性,一般通过降低金属层厚度以及设计波纹结构等策略实现其在柔性器件中的应用,其加工程序复杂,成本较高。以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料兼具良好的柔性和优异的导电性,且具有化学稳定、热稳定、光学透明性等优点,在柔性导电材料领域展现了极大的应用潜力。本文简要综述了近年来纳米碳材料在柔性导电材料领域的研究进展,首先介绍了碳纳米管基柔性导电材料,分别包括基于碳纳米管水平阵列、碳纳米管垂直阵列、碳纳米管薄膜、碳纳米管纤维的柔性导电材料;继而介绍了石墨烯基柔性导电材料,包括基于剥离法制备的石墨烯和化学气相沉积法制备的石墨烯以及石墨烯纤维基柔性导电材料;并简述了碳纳米管/石墨烯复合柔性导电材料;最后论述了纳米碳材料基柔性导电材料所面临的挑战并展望了其未来发展方向。     

高分子导电水凝胶的制备及在柔性可穿戴电子设备中的应用

水凝胶是具有高含水量、可变形性和良好生物相容性的材料,其中导电水凝胶具有良好的导电性、可调节的机械性及自黏附性等特征,逐渐成为制备柔性可穿戴电子设备的最佳候选材料。近年来,具有生物相容性、机械柔韧性和抗疲劳性的导电水凝胶得到广泛研究,能够实现多种生理信号和物理信号的监测及传输,促进了柔性可穿戴电子设备的发展。柔性可穿戴电子设备逐渐成为人机交互技术和人工智能领域的主要研究方向。导电水凝胶通过使用导电聚合物、导电填料、自由离子及其混合物来合成,根据导电机理,所制备的导电水凝胶可分为电子导电水凝胶、离子导电水凝胶和混合电子-离子导电水凝胶。本文讨论了导电水凝胶的制备方法,总结了导电水凝胶在可拉伸性、导电性、生物相容性和自修复性等功能方面的研究进展及其在柔性可穿戴电子设备中的应用,期望导电水凝胶可以取得更好的发展。     

可视化柔性可穿戴传感器研究进展

柔性可穿戴传感器具有轻质、共形性好和生物安全性高等特点,在军事、医疗健康和运动等领域展现出广阔的应用前景。可视化是柔性可穿戴传感器的一个重要发展方向,对于丰富传感器功能和扩展其应用领域具有重要意义。本文综述了近年来可视化柔性可穿戴传感器的研究和应用进展,总结了现有的可视化传感器种类及其作用机理,重点介绍了基于发光或变色进行可视化传感的柔性可穿戴传感器。最后,讨论了可视化柔性可穿戴传感器所面临的机遇和挑战。     

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。     

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...     

柔性电子学中的表界面化学

柔性电子作为新兴的研究热点, 涉及材料、 化学、 物理等多个基础学科的交叉, 以及在生物医用、 可穿戴设备及人工智能等多个领域的应用. 柔性电子设备的制造加工过程中会用到弹性基底、 导电层、 功能层等多种性质各异的材料, 其互相之间的整合受到它们表面性质和界面结合力的限制; 器件的功能、 可靠性、 对环境的敏感性等也受到了器件表界面性质的影响; 因此, 对材料和器件表界面的处理在柔性电子学中具有重要作用. 本文对柔性电子学中常用的表界面化学过程分为3大类进行介绍: 表面电化学过程, 基于特定化合物反应产生的电流制备电化学传感器, 利用电流/电压控制表面负载化合物; 表面修饰, 通过表面改性提高材料的加工性能, 共价修饰分子层或其它材料赋予器件特殊功能性质或保护层; 不同材料之间的界面连接, 通过共价连接或化学反应辅助的物理交联实现不同材料的结合, 提高柔性器件的稳定性, 实现柔性设备的整合. 对各应用进行总结和举例后, 讨论了存在的问题, 并对未来的发展方向及前景进行了展望.     

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.     

柔性可穿戴传感与智能识别技术研究进展

柔性可穿戴传感器件能与人体稳定集成,具有多生理参数和运动参数连续动态测量能力,可在健康监测、运动监控、精准医疗、人机交互等领域发挥重要作用.柔性可穿戴传感器件与人工智能技术的结合,充分展示了利用连续动态多参数信号测量的进行疾病、动作、语音等判定与识别的优势.本文通过介绍柔性可穿戴器件在物理信号、化学信号和图像信号传感中应用,从硬件平台和数据处理分析技术两方面介绍了柔性可穿戴器件与人工智能结合的方法和进展,展示了基于柔性可穿戴传感系统的智能识别技术,分析了柔性可穿戴传感与智能识别技术在柔性化集成、数据传输、能源供应等方面面临的诸多挑战,并对未来发展趋势进行了展望.     

可穿戴柔性触觉传感器的研究进展

可穿戴柔性触觉传感器是用来模仿人类触觉的器件, 可以感知人体以及外界环境的运动、 形变和压力等信息, 在智慧医疗和智能机器人等领域具有广泛的应用前景. 近年来, 大量柔性触觉传感器的研究使其性能得到了巨大的提升, 并在很多领域得到了应用. 本文首先简述了柔性触觉传感器的结构和基本性能; 然后重点介绍了具有自愈合、 自驱动以及可视化等新型高性能触觉传感器的研究进展; 接下来讨论了柔性触觉传感器在可穿戴电子技术、 医疗保健以及人机交互界面等方面的应用; 最后展望了柔性触觉传感器未来所面临的机遇与挑战.     

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。     

柔性复合热电材料及器件的研究进展

热电材料能够将热能与电能直接相互转化,在废热回收及绿色制冷领域中具有巨大的应用潜力。相比无机块体热电材料,柔性热电材料具有可弯折、体积小、质量轻等优点,还适用于制备可穿戴电子设备。近10年来,基于导电高分子、碳材料和无机纳米材料等的柔性复合热电材料及器件逐渐成为炙手可热的研究领域,受到了业内广泛的关注。本文综述了近年来基于不同材料体系的柔性热电材料及器件的研究进展、存在的亟待解决的问题和未来的发展方向。大量研究结果表明,材料的热电性能可以通过化学合成和分子设计战略、形貌控制及掺杂技术等进行有效的调控。研发满足实际应用需要的先进柔性热电材料仍然极具挑战性。     

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...     

柔性复合吸波材料研究进展

吸波材料在隐身技术、电磁兼容、安全保护、微波暗室中的应用十分广泛,因而备受关注。然而传统吸波材料的功能单一,不能同时满足重量轻、涂层薄、柔性、环境适应性等多种需求,限制了其在柔性、可折叠和可穿戴设备中的应用。柔性复合吸波材料一般采用导电损耗、介电损耗和磁损耗等多种吸波机制联用,吸波效率高达99.99%以上,而且具备可折叠、可弯曲、可扭曲变形的特点,为吸波材料在未来人工智能、机器人及可穿戴设备领域的应用提供了重要思路。本文重点介绍碳基、聚合物基、超材料基等柔性复合吸波材料的一些重要研究进展,并对柔性复合吸波材料当前的挑战进行了总结,并对未来的发展趋势进行了展望。     

柔性可穿戴式电化学氧气传感器的制备及应用

将金铂合金纳米颗粒(AuPtNPs)修饰单壁碳纳米管(SWCNTs)多孔电极阵列,与琼脂糖水凝胶电解质相结合,构建了柔性可穿戴式电化学氧气传感器.该传感器通过光敏印章技术,在聚偏氟乙烯(PVDF)滤膜表面构筑聚二甲基硅氧烷(PDMS)的高精度电极阵列图案,并利用减压过滤实现SWCNTs和AuPtNPs的依次沉积,从而制...     

PEDOT导电高分子在柔性能量转化与存储器件的研究进展

近年来,柔性有机和钙钛矿光伏器件、有机薄膜晶体管和医用传感器等因其具有可穿戴性、柔性、半透明性等优点,成为科学研究的热门领域.利用具有优异力学性能的导电聚合物是实现这些高性能器件的有效途径之一.在导电聚合物中,3,4-亚乙基二氧噻吩(PEDOT)及其水性分散液3,4-亚乙基二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)...     

MXene的制备及应用进展

近年来,随着可穿戴电子产品的飞速发展,柔性传感器也受到越来越多的关注。二维过渡金属碳/氮化物(MXene)因其具有良好的机械性能、优异的导电性和亲水性等优点,在电磁屏蔽、生物医药、能量转化与储存、传感器等领域都有广泛的应用。本综述首先对MXene的结构特点、制备方法以及其在多个领域的应用进行简介。进一步,重点围绕MXene在柔性压力/应变传感器、柔性温度传感器、柔性湿度传感器、柔性气体传感器等方面的研究,重点总结了MXene在柔性传感器领域的应用进展,最后,预测MXene基柔性传感器在未来会有更大的发展潜力。     

基于纳米碳填料可拉伸导电聚合物复合材料的制备

碳系材料具有导电性强、稳定性好、价格低廉等优点,被广泛用于制备可拉伸导电复合材料,并且在可拉伸、可穿戴电子设备等领域有巨大的应用潜力,引起了研究者的密切关注。本文介绍了碳系材料的种类,主要有炭黑、碳纳米管和石墨烯等;总结了3种纳米复合材料的主要制备工艺:原位聚合法、熔融共混法和溶液混合法,并介绍了传统印刷技术和新型打印技术。分析了复合材料的导电机理,介绍了渗流阈值理论;并重点探讨了其在可拉伸传感器和可拉伸能量储存设备领域的应用。针对基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料指出目前研究的不足之处:导电填料分散性差、导电网络不稳定和无法大规模生产等,并提出了多种解决方案。对基于纳米碳填料制备的可拉伸导电聚合物复合材料在微型化、可拉伸、可穿戴电子设备领域的应用前景作出了展望。