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Nano Res.│沈国震、李阳等:具有良好防水和透气特性的Cotton/rGO/CNT及其在多功能柔性传感器中的应用

本篇文章版权为济南大学李阳团队所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


近年来,作为人们服装已有数千年历史的棉织物具有天然三维网络结构,良好的柔韧性、透气性和舒适性,为构建柔性传感器和可穿戴电子设备提供了灵感。然而,由于固有的吸水特性,天然的棉织物结构极易受到外部环境水分和佩戴者汗水的影响,导致设备的传感性能和佩戴者舒适度的下降。此外,大多数已报道的棉织物可穿戴电子设备仅涉及一种传感功能,难以满足人类对构建集成、紧凑型可穿戴电子设备实现多功能传感的需求。随着制造技术的不断进步和智能信息时代的到来,要求新兴的可穿戴电子产品具备同时检测多种信息的能力,因此开发一种既防水又透气的棉织物结构来实现可穿戴电子产品从单一功能到多功能的延伸设计是必要且具有挑战性的。


成果简介


该团队提出了一种防水且透气的棉织物Cotton/rGO/CNT,并基于复合导电材料材料电导率与导电填料的体积分数之间的非线性关系,采用Cotton/rGO/CNT开发了一种逐层组装的多功能柔性传感器,实现了对压力和温度刺激的高灵敏感知。首先,该多功能柔性传感器在检测外界压力信息方面表现出显着优势,灵敏度高,压力检测限低,响应和恢复时间快,耐用性好。并且,对人体生理活动微小压力信号的成功检测证明了该多功能柔性传感器在持续可靠地监测人体生理信息方面的适用性。此外,该多功能柔性传感器对温度变化具有良好的线性响应,并通过与无线系统集成实现了对人体呼吸信号的非接触式实时监测。最后,通过设计和构建一个由多功能柔性传感器组成的5×5阵列证明了其在感知和映射接触物体的压力和温度信息方面的可行性。。


图文导读


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图1 (a) 多功能柔性传感器示意图。(b) Cotton/rGO/CNT的制备过程示意图。((c)(d)) 显示了Cotton/rGO/CNT 良好柔韧性的照片。(e) Cotton/rGO/CNT的接触角。(f) 水蒸气透过量测试。(g) Cotton/rGO/CNT 的扫描电子显微镜图。


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图2 (a)压力传感示意图。(b) 器件的压力灵敏度。(c) 器件的压力传感可重复性。(d)器件的响应和恢复时间。(e) 器件的最低压力检测极限。(f) 器件的压力疲劳测试。(g) 器件对不同弯曲角度的响应。(h) 器件的电容响应与弯曲角度的线性关系。(i) 器件弯曲疲劳测试。


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图3 (a)温度传感示意图。(b) 器件的温度响应曲线。(c) 器件的电阻响应与温度的线性关系。(d) 器件的最低温度分辨率。(e) 器件的响应和恢复时间。(f) 器件的温度传感可重复性。


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图4 多功能柔性传感器在(a)运动前后脉搏识别、(b)运动后不同恢复时间的脉搏识别、(c) 人体呼吸信号检测、(d) 手机振动信号检测中的应用。((e) (f)) 多功能柔性传感器用于实现人体呼吸信号非接触、智能、实时监测。


作者简介


李阳,济南大学教授,硕士生导师,山东省优秀青年基金获得者、山东省高校集成电路创新团队带头人。研究方向主要包括相关半导体材料在气体传感、柔性压力传感以及基于忆阻器的电子突触器件中的应用。以第一作者或者通讯作者在Chemical Society Reviews、Matter、Advanced Functional Materials等国际期刊上发表论文60余篇。

沈国震,中国科学院半导体研究所研究员,博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者。以第一完成人身份获北京市科学技术二等奖、中国材料研究学会科学技术一等奖等。现任英国皇家化学会会士、中国材料研究学会理事。发表SCI论文300余篇,获引用超过2万次。


文章信息


F. Yin, Y. Guo, H. Li, et al. A waterproof and breathable Cotton/rGO/CNT composite for constructing a layer-by-layer structured multifunctional flexible sensor. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4440-1.

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