基于可拉伸纳米纤维织物的可穿戴电子器件的研究

发布时间：2020-04-21 22:48

【摘要】：近年来,可拉伸电子设备在紧密人机交互领域的应用开始超越传统技术。在各种系统中,电子元器件与日常服装相结合的可穿戴智能纺织品(Smart Textiles)展现出了独特的优势。高速发展的纺织与电子制造工艺不断推动着普通服饰向着更大面积、更高集成度的功能化方向前进。目前可穿戴智能纺织品的设计思路已经比较清晰,主要包括:(1)柔性/可拉伸基底;(2)导电电极;(3)传感材料以及(4)封装材料,必须特别注意每个组件在整体器件中所扮演的角色、它们之间的交互作用以及这些交互如何影响系统的性能。基于这种设计理念与制备方法所得到的各种可穿戴电子系统已经在军事、公共安全、医疗保健、太空探索、体育健身等领域获得了广泛的应用。本文着重讨论了基底材料与导电材料的柔性/可拉伸性的实现策略,阐述了多种将导电材料复合集成到基底织物中去的工艺手段,并分析各种方法的优劣之处,从获得较高的电导率和稳定的拉伸性能出发,采用简单安全的制备手法,设计了一种基于弹性纳米纤维纺织品的透气的、可拉伸的可穿戴电子器件系统。该系统通过将纳米银线集成到纤维织物中来制备电极与导电通路,穿着舒适,适合长期佩戴。主要内容包括以下几个方面:1.利用静电纺丝工艺制备了基于热塑性弹性体的纳米纤维无纺布,纤维布孔隙直径在20-30μm范围内,纤维与纤维间存在较强的点结合,且表面光滑平整,克服了传统织物表面凹凸不平和与器件工艺兼容性差的固有缺陷,电纺材料选用热塑性聚氨酯,其具有良好的物理力学性能和生物相容性,与皮肤的亲和性好,这为发展可穿戴电子器件提供了一种理想的材料选择。2.采用喷涂法在纳米纤维布上制备了图案化的纳米银线电极,提出银线长度对于沉积导电网络的性能影响,包括其微观形貌,导电性能以及外部形变条件下的性能衰减等,实验利用多元醇法制备纳米银线,通过调节参数得到平均长度在31.9±1.2μm和67.6±1.4μm的两种银线,其中长银线装配的电子纤维导体在银线单位面积负载到达40μg/cm2即能获得4Ω/sq的面电阻,承受外力拉伸30%应变1000次后电阻仅仅上升了 2.5倍,远远优于短银线,揭示了纳米银线与弹性体纤维的协同组装效应,为纳米纤维无纺布上功能电子器件的加工提供了重要的科学依据。并且制备得到的导电纤维布的水汽透过速率为9.5 g·h-1·4·m-2,处于人体典型经表皮失水率范围内,这使得该设备具备较高的人体穿着舒适度。3.论文制备了具有肌肉电信号监测功能的原型机器,实现了对生理信号的穿戴检测,将采集电极与商用Ag/AgCl凝胶电极进行比较,该器件的皮肤/电极接触阻抗略高,所收集到的信号显示出明显的肌肉收缩特征,信噪比达到17.1dB。长期佩戴12 h后,未出现凝胶电极带来的皮肤升温红肿问题,并且仍然保持了较高水平的信号采集能力。本文通过对多通道的肌电信号进行记录、分析,采用移动窗口法进行活动段信号的截取,利用Python内置的XGboost模块进行学习训练,成功对腕部动作进行准确识别,展示了该器件在可穿戴技术领域的应用潜力。
【图文】：

捷的人机交互过程中传递更为复杂的电子信号，这己经成为了智能电子设备逡逑发展的大趋势，ＩＭ］这种需求推动了可穿戴电子技术作为一项新技术的发展。逡逑图１．１展示了一系列常见的可穿戴电子设备，这些功能多样的电子器件，不仅逡逑丰富了人们的日常生活，还能通过监测身体状况实时地提供健康信息，尤其是逡逑将这项技术与新兴的物联网（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ邋ｏｆ邋Ｔｈｉｎｇｓ，邋ＩｏＴ）技术相结合，能实现人、逡逑数据、信息和设备的有机结合。逡逑．\l？．童‘逡逑．：、？丫逦：１置及．逡逑ＩＩ邋＾逡逑图１．１可穿戴电子器件的广泛应用［Ｍ］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｗｉｄｅ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｗｅａｒａｂｌｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ邋ｄｅｖｉｃｅｓ邋Ｉ１＂４】逡逑１逡逑

一些本质上具备柔性／可拉伸性的材料，比如弹性薄膜、液态金属、离子逡逑液体、导电聚合物和有机半导体，己经在柔性电子领域得到了广泛的研究和应逡逑用。尤其是有机半导体和导电聚合物与“卷对卷”技术的结合（见图１．２），，邋［９７１极逡逑大地促进了大面积电子器件的规模化生产，其中基于有机发光二极管的柔性逡逑显示器己经投入商用。另外，镓／铟在共晶点附近按一定比例混合能够得到常温逡逑下呈液态的金属导体，由于其特殊的物质状态，液态金属能够承受较大变形而逡逑不损失电导性，但其应用往往伴随着复杂的制造工艺，防止液态导体在使用过逡逑程中发生泄漏是需要考虑的一大问题，如图丨．３，邋Ｑｉａｎ邋Ｗａｎｇ使用冷冻相变处理逡逑将打印的液态金属电路转移到聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）衬底中，用于柔性电子逡逑设备的制造，获得了不错的效果。１９６１除此以外，还可以将本身不导电的弹性体逡逑与金属颗粒、碳材料等导电填充物进行复合
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;TP368.33

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本文编号：2635830