【摘要】：隨著生活水平提高,人們開始更加關(guān)注身體的健康狀況,可穿戴健康監(jiān)測器件在這樣的需求下應(yīng)運(yùn)而生。它憑借著高靈敏度、智能、便捷、快速等優(yōu)點(diǎn),吸引了人們的注意,成為柔性電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)�？纱┐鹘】当O(jiān)測器件可直接對人體呼吸、脈搏、心跳、血壓、體溫以及汗液等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,進(jìn)而反應(yīng)出人們的健康狀況。目前,基于柔性基底的壓阻型器件是最受關(guān)注的可穿戴健康監(jiān)測器件之一,該類型器件可通過檢測皮膚輕微形變,反應(yīng)心率、呼吸、脈搏等人體基礎(chǔ)生理參數(shù)。靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維薄膜具有良好的柔性,作為壓力傳感材料,已被廣泛用于壓阻型柔性電子器件的制備。然而,靜電紡絲技術(shù)與壓阻原理相結(jié)合的可穿戴器件通常需要專門的封裝步驟。高聚物或織物封裝基底的使用,可能會影響器件柔性、透氣性和舒適度。針對以上問題,本論文以生物相容性聚合物為原料,利用靜電紡絲技術(shù),制備了以靜電紡絲納米纖維膜為支撐、傳感和封裝層的三明治結(jié)構(gòu)壓阻型柔性壓力傳感器。具體工作如下:1.基于生物相容性聚合物的柔性納米纖維薄膜本研究以聚乳酸(Polylactide,PLA)、絲素蛋白(Silk fibroin,SF)、膠原蛋白(Collagen,COL)為原料,通過對前驅(qū)體溶劑的種類、溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及紡絲接收距離進(jìn)行優(yōu)化,制備了生物友好的柔性納米纖維薄膜(PLA-SF-COL膜)。掃描電子顯微鏡表征顯示,所制備的紡絲薄膜由直徑在122±28 nm的納米纖維有序組成,纖維粗細(xì)差異較小、分布均勻。該生物相容性納米纖維薄膜具備良好的親膚性與柔性,在實(shí)際應(yīng)用中可與皮膚表面直接貼合,可以作為柔性材料用于壓力傳感器的研發(fā)。2.以聚吡咯修飾納米纖維膜為傳感層的柔性壓阻器件為避免非透氣性柔性基底的使用,本研究擬構(gòu)建以靜電紡絲納米纖維膜為基底、傳感、封裝層的三明治結(jié)構(gòu)柔性壓阻傳感器。首先,通過原位合成法,在PLA-SF-COL靜電紡絲纖維膜上修飾聚吡咯(Polypyrrole,PPY),形成導(dǎo)電柔性納米纖維薄膜。場發(fā)射掃描電子顯微鏡顯示PPY被成功地修飾在柔性納米纖維薄膜上,且隨著PPY濃度的改變,會有不同的表面堆積方式。通過對實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化,得到了導(dǎo)電性最佳的PPY修飾納米纖維薄膜。以PLA-SF-COL膜為襯底,在其上堆疊兩層PPY修飾導(dǎo)電納米纖維膜。隨后,將這一多層結(jié)構(gòu)固定于靜電紡絲接收鼓上,通過新一輪納米纖維薄膜制備,組裝成由基底層-傳感層-封裝層構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)柔性壓阻器件。性能測試表明,該傳感器能準(zhǔn)確分辨手指的輕敲與輕按,具有良好的穩(wěn)定性(200次按壓循環(huán)響應(yīng)良好)與靈敏度,可用于監(jiān)測人體的脈搏、呼吸、發(fā)聲等。3.以聚苯胺/聚乳酸納米纖維膜為傳感層的全靜電紡絲柔性壓阻器件為進(jìn)一步簡化納米纖維膜基柔性壓力傳感器的制備過程,本研究擬在上一工作基礎(chǔ)上,直接采用復(fù)合導(dǎo)電聚合物靜電紡絲膜為傳感層,實(shí)現(xiàn)全靜電紡絲三明治結(jié)構(gòu)柔性壓阻器件的構(gòu)建。首先,實(shí)現(xiàn)聚苯胺(Polyaniline,PANI)/聚乳酸納米纖維膜的靜電紡絲制備,并通過導(dǎo)電性測試優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,總結(jié)導(dǎo)電性PANI-PLA納米纖維復(fù)合膜的最佳制備工藝。場發(fā)射掃描電鏡顯示,PANI-PLA導(dǎo)電納米纖維直徑在100±30 nm。通過靜電紡絲技術(shù),逐層沉積PLA-SF-COL膜、PANI-PLA導(dǎo)電膜、PLA-SF-COL膜,獲得納米纖維薄膜多層結(jié)構(gòu)。通過裁剪,可以得到以聚苯胺/聚乳酸復(fù)合納米纖維膜為傳感層的全靜電紡絲柔性壓力傳感器。器件性能測試結(jié)果表明,該傳感器能準(zhǔn)確區(qū)分人體脈搏的變化以及不同數(shù)目硬幣堆放時(shí)壓力的變化,具備較高的靈敏度和優(yōu)異的穩(wěn)定性(2000次按壓響應(yīng)仍保持穩(wěn)定),可以精確地對人體的體征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。綜上所述,本論文通過靜電紡絲技術(shù)制備了親膚透氣的柔性納米纖維薄膜,并先后以PPY修飾納米纖維膜和PANI-PLA復(fù)合靜電紡絲膜為傳感層,組裝完成了三明治結(jié)構(gòu)柔性壓阻器件。與已有研究相比,本項(xiàng)目制備的柔性壓力傳感器完全以靜電紡絲納米纖維膜構(gòu)建,無需使用非透氣性柔性基底進(jìn)行封裝。器件的組裝和封裝過程通過靜電紡絲技術(shù)一步實(shí)現(xiàn),簡化了器件的制備工藝。所制得的器件靈敏度高、柔韌性佳、親膚性好、穩(wěn)定性優(yōu),在人體體征信號日常監(jiān)測方面極具應(yīng)用潛力。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TP212.3
【圖文】：

圖 1.1 可穿戴電子產(chǎn)品與技術(shù)[5]起，可穿戴器件已經(jīng)逐漸在醫(yī)療、娛樂、安防、商業(yè)等件的構(gòu)造與應(yīng)用也由最初的剛性、單一、累贅向后期的柔渡，使“可穿戴”的概念更加名副其實(shí)。其中，尤以智能手為可穿戴設(shè)備領(lǐng)域中發(fā)展最為成熟也是市場最熱的產(chǎn)品手表已經(jīng)逐漸進(jìn)入了我們的生活中。近年來活躍起來的能監(jiān)測手環(huán)等，在可靠提供人體活動和行為信息的方面

圖 1.2 柔性壓力傳感器按照信號轉(zhuǎn)換原理分：（a）壓阻型；（b）電容型；（c）壓電型[24]。1）壓阻型柔性壓力傳感器壓阻型柔性壓力傳感器的原理是將外界作用力轉(zhuǎn)化為傳感材料電阻的變化，而形成力-電信號的傳感轉(zhuǎn)換過程（圖 1.2a）。器件工作過程中傳感材料界面接電阻發(fā)生變化，其變化的劇烈程度決定了傳感器的靈敏度。這類傳感器具有容制備、響應(yīng)速度快、壓力傳感范圍大、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但是器件工作過程中對較高的能量損耗是其劣勢。因此，在制備壓阻式壓力傳感器時(shí)，更偏向于選具有高導(dǎo)電性的材料。例如 S. Gong 等就以 PDMS 為基底，使用了具備優(yōu)越機(jī)性能和電氣性能的金納米線作為傳感材料，制備出了平均斷態(tài)電阻為91.1±52 kΩ高靈敏、快響應(yīng)、穩(wěn)定性持久的可穿戴式壓阻傳感器[26]。此外，壓阻式傳感器適用于較大范圍內(nèi)的壓力測試，它不僅對于微小的壓力響應(yīng)靈敏，對于大的拉應(yīng)變也能夠進(jìn)行可靠測量[24]。H. Tian 等以石墨烯為原料制備出一種柔性、測試圍廣、超靈敏的壓阻式壓力傳感器，可以在 0~50KPa 的廣闊范圍內(nèi)進(jìn)行工作[27]。 K.-Y. Chun 等則制備了一種可印刷、高導(dǎo)電性的可拉伸柔性壓力器件，器件對

圖 1.3 柔性壓力器件的應(yīng)用[24]在電子應(yīng)用方面，研究人員開始使用柔性電子材料制備大面積、低成本的壓傳感器[34, 39, 40]，其中使用有機(jī)活性材料制備的具有高靈敏度的柔性可拉伸傳感陣列，在相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品上得到了前所未有的關(guān)注，已經(jīng)用于生產(chǎn)開發(fā)具備柔性觸摸屏[41, 42]。諸如索尼、耐克這樣的公司則推出了可以監(jiān)測運(yùn)動的運(yùn)動手環(huán)等業(yè)化產(chǎn)品用于運(yùn)動中的自我修正。而作為人工智能應(yīng)用中典型的組件，科學(xué)家已經(jīng)利用觸覺傳感器技術(shù)研制出了各類具有杰出感知能力，可以模擬甚至超越體皮膚感知覺的電子皮膚[43-45]。在醫(yī)療保健方面，柔性壓力傳感器除了可以對脈、血壓、血糖和心跳等人體體征進(jìn)行監(jiān)測評估外[46, 47]，還可以與醫(yī)療器械結(jié)合醫(yī)生能夠檢查體內(nèi)難以觸及的內(nèi)部組織的健康狀況[48, 49]。.3 壓阻型柔性壓力傳感器壓阻型柔性壓力傳感器是柔性壓力傳感器的一個(gè)分支。制備壓阻型壓力傳感的原理是：在外力的作用下，傳感元件的電阻會隨著外力的改變而發(fā)生變化。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 顏延;鄒浩;周林;袁嬋;王磊;;可穿戴技術(shù)的發(fā)展[J];中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào);2015年06期

2 張莉;;可穿戴設(shè)備技術(shù)綜述[J];通訊世界;2015年15期

3 劉琳;;可穿戴設(shè)備研究進(jìn)展與趨勢分析[J];無線互聯(lián)科技;2015年05期

4 陳騫;;智能可穿戴設(shè)備在醫(yī)療健康領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[J];上海信息化;2014年12期

本文編號：2801069