柔性仿生电子传感器件的集成与性能研究

发布时间：2021-01-07 01:09

　　随着科学技术的发展,仿生电子器件正在向柔性化、微型化、集成化和多功能化方向发展,这对于仿生电子器件的结构和性能也提出了更高的要求。为此,急需通过开发新型的器件结构、新的敏感传导机制和新的应用领域等来满足仿生电子器件对高柔性、高性能和多功能化等性能的要求。本文致力于研究具有高性能的柔性电子皮肤和人工视觉感知记忆系统,以获得对于人体皮肤和视觉功能的模拟仿生。本论文主要的研究成果如下:首先,同轴结构的应变传感器件可有效提高导电纤维的稳定性和耐久性。该可拉伸的导电纤维能够同时感应多种应变刺激,包括拉伸、弯曲、扭曲等,并表现出优异的灵敏度（GF～5.326）和极快的响应速度（-20ms）,同时具有良好的性能再现性、稳定性和耐久性,在重复拉伸10000次循环试验后仍具有高达90%的灵敏度保持率。该线性器件可转移至人体不同部位实时监测人体的各种肢体运动和生理信号等信息。另外,通过集成具有十通道电路的电子数据手套,能够通过监测手指关节的运动来识别各种手势变化。然后,通过制备石墨烯与聚合物纳米纤维的复合材料,构筑了具有高灵敏度和高稳定性的仿生电子皮肤,实现了类似人体皮肤的功能。另外,通过引入聚合物中空球... 

【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：126 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１－１人体功能的各种仿生电子器件

ｇ?傘＇：／‘腎＝｜??图１－１人体功能的各种仿生电子器件。（ａ）电子皮肤模拟人体的触觉功能｜７１；?（ｂ）电??子鼻模拟人体的嗅觉功能｜ｆｉ｜；?（ｃ）电子眼横拟人体的视觉感知与记忆功能１８１；?（ｄ）人工??喉模拟人体对于声音的识别能力１９１??基于人体各种感官功能的仿生电子器件是目前仿生学领域的重要发展方??向。如图１－１所示，通过仿生传感器件的结构与功能设计，能够替代生物体??自身的触觉、嗅觉、听觉和视觉等感觉，这就促使了各种仿生器件如电子皮??肤、电子鼻、人工舌、仿生耳、电子蛙眼等［Ｗ］如雨后春笋般出现。东北大学??的薛欣宇研宂团队［６１通过摩擦电表面耦合效应，开发出一种可作为新型仿生??电子鼻核心部件的自供电嗅觉电子鼻，可以将人体呼吸或更微小的机械振动??直接转化为与外界气氛关联的嗅觉仿生脉冲电信号。仿生电子皮肤可用来模??拟人体皮肤的各项功能，实现对温度、压力等环境刺激的响应。来自韩国首??尔崇实大学的Ｄｏ?Ｈｗａｎ?Ｋｉｍ等人［１Ｑ］创造了一种电子皮肤材料，不仅对温度和??压力，还能以模仿味觉或嗅觉的方式对化学刺激进行反应，被称为“电子嗅觉??皮肤”。这种具有柔性和弹性的薄膜就像真的皮肤一样可任意的折叠、扭曲和??拉伸

通过改变微结构的各种参数还能够用来调控柔性器件的灵敏度，这??种能力可归功于微结构的ＰＤＭＳ层和有机半导体之间空隙的提高引起了介电??常数的降低。如图１－２所示，这种性能增强的压力传感器能够精确扫描静态??压力的分布，有效完成高精度、连续的桡动脉脉搏波实时检测能力。??超轻薄电子皮肤的制备是柔性电子器件发展的一个重要方向。超薄的基??底结构能够赋予电子皮肤更优异的柔初性、粘合性和超轻薄等特征，有利于??加强电子皮肤器件的柔性弯折度、降低结构层间应力与分层现象、降低制作??成本，最重要的是，能够结合柔性电子的印刷技术实现大规模的集成化生产??如图１－３所示，不同类型的超轻薄电子皮肤器件展现了超轻薄结构的设??计与工艺可行性，也证明了在超轻薄基底上的大规模功能化集成能力［４３４６］。??韩国延世大学的Ｊｏｎｇ－Ｈｙｕｎ?Ａｈｎ课题组［４３］制备了一种基于Ｍ０Ｓ２的超薄透明??的触觉传感器阵列用于电子皮肤，整个器件单元的厚度低于７５?ｎｍ，该电子??皮肤还表现出了优良的力学柔軔性和优异的触觉检测能力（ＧＦ？２３０）。日本??东京大学的Ｔａｋａｏ?Ｓｏｍｅｙａ课题组通过直接在人体皮肤上打印可穿戴的电??路首次实现了无基底制备超轻薄可拉伸的电子器件，在人体的健康监测与人??机接口领域具有极大的应用潜力。为了提高信噪比、响应速度和空间分辨率

【参考文献】：
期刊论文
[1]静电纺丝法制备纳米线阵列及其在电子与光电子领域中的应用（英文）[J]. 郑志,甘霖,翟天佑.  Science China Materials. 2016(03)



本文编号：2961597