【摘要】：近年來,可拉伸電子設(shè)備在緊密人機(jī)交互領(lǐng)域的應(yīng)用開始超越傳統(tǒng)技術(shù)。在各種系統(tǒng)中,電子元器件與日常服裝相結(jié)合的可穿戴智能紡織品(Smart Textiles)展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。高速發(fā)展的紡織與電子制造工藝不斷推動(dòng)著普通服飾向著更大面積、更高集成度的功能化方向前進(jìn)。目前可穿戴智能紡織品的設(shè)計(jì)思路已經(jīng)比較清晰,主要包括:(1)柔性/可拉伸基底;(2)導(dǎo)電電極;(3)傳感材料以及(4)封裝材料,必須特別注意每個(gè)組件在整體器件中所扮演的角色、它們之間的交互作用以及這些交互如何影響系統(tǒng)的性能。基于這種設(shè)計(jì)理念與制備方法所得到的各種可穿戴電子系統(tǒng)已經(jīng)在軍事、公共安全、醫(yī)療保健、太空探索、體育健身等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。本文著重討論了基底材料與導(dǎo)電材料的柔性/可拉伸性的實(shí)現(xiàn)策略,闡述了多種將導(dǎo)電材料復(fù)合集成到基底織物中去的工藝手段,并分析各種方法的優(yōu)劣之處,從獲得較高的電導(dǎo)率和穩(wěn)定的拉伸性能出發(fā),采用簡(jiǎn)單安全的制備手法,設(shè)計(jì)了一種基于彈性納米纖維紡織品的透氣的、可拉伸的可穿戴電子器件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過將納米銀線集成到纖維織物中來制備電極與導(dǎo)電通路,穿著舒適,適合長(zhǎng)期佩戴。主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:1.利用靜電紡絲工藝制備了基于熱塑性彈性體的納米纖維無紡布,纖維布孔隙直徑在20-30μm范圍內(nèi),纖維與纖維間存在較強(qiáng)的點(diǎn)結(jié)合,且表面光滑平整,克服了傳統(tǒng)織物表面凹凸不平和與器件工藝兼容性差的固有缺陷,電紡材料選用熱塑性聚氨酯,其具有良好的物理力學(xué)性能和生物相容性,與皮膚的親和性好,這為發(fā)展可穿戴電子器件提供了一種理想的材料選擇。2.采用噴涂法在納米纖維布上制備了圖案化的納米銀線電極,提出銀線長(zhǎng)度對(duì)于沉積導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的性能影響,包括其微觀形貌,導(dǎo)電性能以及外部形變條件下的性能衰減等,實(shí)驗(yàn)利用多元醇法制備納米銀線,通過調(diào)節(jié)參數(shù)得到平均長(zhǎng)度在31.9±1.2μm和67.6±1.4μm的兩種銀線,其中長(zhǎng)銀線裝配的電子纖維導(dǎo)體在銀線單位面積負(fù)載到達(dá)40μg/cm2即能獲得4Ω/sq的面電阻,承受外力拉伸30%應(yīng)變1000次后電阻僅僅上升了 2.5倍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于短銀線,揭示了納米銀線與彈性體纖維的協(xié)同組裝效應(yīng),為納米纖維無紡布上功能電子器件的加工提供了重要的科學(xué)依據(jù)。并且制備得到的導(dǎo)電纖維布的水汽透過速率為9.5 g·h-1·4·m-2,處于人體典型經(jīng)表皮失水率范圍內(nèi),這使得該設(shè)備具備較高的人體穿著舒適度。3.論文制備了具有肌肉電信號(hào)監(jiān)測(cè)功能的原型機(jī)器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)生理信號(hào)的穿戴檢測(cè),將采集電極與商用Ag/AgCl凝膠電極進(jìn)行比較,該器件的皮膚/電極接觸阻抗略高,所收集到的信號(hào)顯示出明顯的肌肉收縮特征,信噪比達(dá)到17.1dB。長(zhǎng)期佩戴12 h后,未出現(xiàn)凝膠電極帶來的皮膚升溫紅腫問題,并且仍然保持了較高水平的信號(hào)采集能力。本文通過對(duì)多通道的肌電信號(hào)進(jìn)行記錄、分析,采用移動(dòng)窗口法進(jìn)行活動(dòng)段信號(hào)的截取,利用Python內(nèi)置的XGboost模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練,成功對(duì)腕部動(dòng)作進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,展示了該器件在可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
【圖文】：

捷的人機(jī)交互過程中傳遞更為復(fù)雜的電子信號(hào)，這己經(jīng)成為了智能電子設(shè)備逡逑發(fā)展的大趨勢(shì)，ＩＭ］這種需求推動(dòng)了可穿戴電子技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展。逡逑圖１．１展示了一系列常見的可穿戴電子設(shè)備，這些功能多樣的電子器件，不僅逡逑豐富了人們的日常生活，還能通過監(jiān)測(cè)身體狀況實(shí)時(shí)地提供健康信息，尤其是逡逑將這項(xiàng)技術(shù)與新興的物聯(lián)網(wǎng)（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ邋ｏｆ邋Ｔｈｉｎｇｓ，邋ＩｏＴ）技術(shù)相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)人、逡逑數(shù)據(jù)、信息和設(shè)備的有機(jī)結(jié)合。逡逑．\l？．童‘逡逑．：、？丫邐：１置及．逡逑ＩＩ邋＾逡逑圖１．１可穿戴電子器件的廣泛應(yīng)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

一些本質(zhì)上具備柔性／可拉伸性的材料，比如彈性薄膜、液態(tài)金屬、離子逡逑液體、導(dǎo)電聚合物和有機(jī)半導(dǎo)體，己經(jīng)在柔性電子領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)逡逑用。尤其是有機(jī)半導(dǎo)體和導(dǎo)電聚合物與“卷對(duì)卷”技術(shù)的結(jié)合（見圖１．２），，邋［９７１極逡逑大地促進(jìn)了大面積電子器件的規(guī)�；a(chǎn)，其中基于有機(jī)發(fā)光二極管的柔性逡逑顯示器己經(jīng)投入商用。另外，鎵／銦在共晶點(diǎn)附近按一定比例混合能夠得到常溫逡逑下呈液態(tài)的金屬導(dǎo)體，由于其特殊的物質(zhì)狀態(tài)，液態(tài)金屬能夠承受較大變形而逡逑不損失電導(dǎo)性，但其應(yīng)用往往伴隨著復(fù)雜的制造工藝，防止液態(tài)導(dǎo)體在使用過逡逑程中發(fā)生泄漏是需要考慮的一大問題，如圖丨．３，邋Ｑｉａｎ邋Ｗａｎｇ使用冷凍相變處理逡逑將打印的液態(tài)金屬電路轉(zhuǎn)移到聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）襯底中，用于柔性電子逡逑設(shè)備的制造，獲得了不錯(cuò)的效果。１９６１除此以外，還可以將本身不導(dǎo)電的彈性體逡逑與金屬顆粒、碳材料等導(dǎo)電填充物進(jìn)行復(fù)合
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.1;TP368.33

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本文編號(hào)：2635830