镓基液态金属在可穿戴器件与智能服装上的应用研究进展

镓基液态金属在室温下具有良好的可变形性和高电导率,是制造柔性电子器件导电单元的极佳材料。本文针对大多数电子元器件柔性差、难以应用在纺织服装领域的问题,基于液态金属的导电高、室温流动性及浸润性好等性能,综述了基于液态金属的、形态多样的柔弹性电子器件,包括导电微球、柔弹性导线及薄膜、织物器件的研究现状。这些器件可发生弯曲形变,弹性好,在外力作用下仍能保持电学稳定性。通过对液态金属的粘度、浸润性能等的改性并结合纺织材料的结构特点及制备技术,可以制备出柔弹性、智能化的纺织基电子器件,其兼具织物的柔性和液态金属的高电导率,有望应用于智能服装领域。

纤维及织物基柔性可穿戴器件研究进展

近年来,随着智能技术的迅速发展,可穿戴器件逐渐成为研究热点。在实际应用中,柔性的可穿戴器件具有更广阔的应用前景,尤其是以纤维和织物为基底制作的柔性器件为解决穿着舒适性、耐水洗性不佳及三维形变时与人体贴合性差等问题提供了基础,同时符合绿色环保的理念,具有现实的研究意义。本文介绍了几种典型的柔性可穿戴器件,并简要回顾了可穿戴设备的柔性化进程;概述了以纤维、织物为基底的柔性可穿戴器件的制备方法;对纤维/织物基器件进行了分类并综述了在柔性传感器、柔性能源器件、柔性电极等领域的最新应用,指出随着材料科学、纺织技术和微电子技术的融合发展,通过系统设计和一体成型构建纺织结构柔性器件是穿戴式产品进一步发展的客观需求和必然趋势。

柔性电子材料与器件在可穿戴传感领域的发展现状、挑战与创新策略

可穿戴材料与器件正朝着柔性、轻薄、无感、智能化和可长期佩戴等方向发展,以满足人体生理心理等个性化需求。这一趋势为运动健康监测领域带来了革新,并得到了学术界和工业界的广泛关注。然而,在满足人体个性化发展需求的同时,可穿戴柔性材料与器件本身也面临着机械鲁棒性、信号稳定性、软硬接口连接和生物相容性等性能方面的挑战。因此,本文旨在从实际运动健康监测需求的角度出发,讨论构建可穿戴柔性材料与器件的材料、结构和制备工艺。同时,深入探讨了其在机械、电气和生物性能等方面所面临的主要挑战因素及其解决路径。最后,预测了未来可穿戴柔性电子材料与器件的发展方向,包括全柔性集成、机械鲁棒性的增强、信号解耦与识别的高精度化、监测的稳定性与灵敏度、快速响应性、超薄无感设计、多模态信号处理以及智能化自适应反馈等。

柔性压电器件及其可穿戴应用

可穿戴设备是能穿在身上,实时获取人体或环境信息并进行传递和处理的功能设备,在医疗健康、人工智能、运动娱乐等领域具有广阔的应用前景。随着可穿戴设备的发展,各类柔性传感器应运而生。基于压电效应的柔性力学传感器因具有感应频率宽、响应快、线性好、自供电等优势而备受关注。然而传统的压电材料多为脆性陶瓷和晶体材料,限制了其在柔性方面的应用。随着研究的深入,越来越多的柔性压电材料和压电复合材料不断涌现,给柔性可穿戴力学器件注入了新的发展活力。本文主要概括了柔性可穿戴压电器件的前沿进展,包括压电原理、柔性压电材料的制备与性能提升方法。此外,还详细总结了柔性可穿戴压电设备的主要应用方向,包括医疗健康和人机交互,以及遇到的挑战与机遇。

柔性电容传感在可穿戴健康监测中的应用

与传统刚性电子技术不同,柔性电子在柔性、可延展衬底上制备有源层,具有高柔韧性和一致性,适合于可穿戴健康监测应用。柔性电容传感具有低功耗、高灵敏度等优点,在可穿戴电子应用具有潜力。文章分析了柔性电子器件的结构、制备技术,以及柔性电容传感器的工作机理、测量电路。探讨了柔性电容传感在生理特征信号检测、基于微流体系统的原位汗液成分测量中的应用。结果表明,柔性电容传感不仅能用于生命体征信号、个体运动的物理感知,也可用于分子级的更精准健康监测。

柔性可持续穿戴的肺音信号监测听诊贴研究

针对当前数字听诊器在长时间穿戴监测方面的不足,研制了一种具有可延展电路结构、可紧密贴合的柔性肺音无线听诊贴。对听诊贴的前端进音腔室、体表贴合性、可延展电路结构的力学-电学性能以及信号降噪方面展开研究。结果表明:该柔性听诊贴可贴合体表,可延展电路在体表动态环境中力学-电学性能稳定,最后对采样的肺音信号经过小波阈值降噪后信噪比显著提高,实现了持续动态监测的可穿戴数字化听诊,可为后续肺部的持续诊疗工作提供一定的研究价值。

柔性可穿戴MoS_(2)/Si光敏位置探测器件综合实验研究

尽管Si晶体在当前微电子芯片领域占据主导地位,但它在柔性器件研制和性能提升方面面临巨大挑战,导致其在新一代光电子器件领域的应用受到严重阻碍。为此,该文设计了一个综合实验方案,涵盖材料加工、器件组装、物性表征和机理分析的全链条实验过程,实现了对柔性晶体Si及其器件的创新研究。实验采用饱和碱液湿法刻蚀实验方案,加工形成了具有可弯曲特征的超薄Si,并在其表面沉积MoS_(2)薄膜,研制出一种柔性MoS_(2)/Si光敏位置探测器件(PSD)。测量结果表明,所制备器件表现出突出的位置探测性能,其灵敏度可高达320.8 mV/mm,响应时间仅为198.0μs,并展现出良好的抗弯曲稳定性,从而将单晶Si的应用拓展至柔性器件领域,为发展可穿戴光电子器件提供了新的技术思路。

钙钛矿单晶X射线探测器:未来可穿戴电子器件的B位工程

卤化铅基钙钛矿单晶(SC)X射线探测器由于其强大的阻挡能力和高载流子传输效率而受到广泛关注。然而,铅基钙钛矿在可穿戴电子产品中的应用受到其毒性的限制。ABX_(3)杂化钙钛矿具有多种结构,通过B位点工程将光电子特性和环境友好处理相结合。在这篇展望中,我们总结了钙钛矿SC X射线探测器的最新进展,提供了从铅基到无铅再到无金属的B位工程概述。随后,提出了未来钙钛矿可穿戴电子器件的前景。我们希望这篇展望将为结构设计提供有益的指导,以实现高效、环保的钙钛矿可穿戴电子器件。

石墨烯压力传感器在可穿戴电子器件中的研究进展

本文介绍了石墨烯材料的制备、石墨烯压力传感器的性能以及在可穿戴电子器件中的应用前景。总结了石墨烯材料的制备方法,阐述了石墨烯压力传感器在机械、导电性能、显示方面的优势。研究了在压力传感器的结构中加入石墨烯、石墨烯衍生物或石墨烯复合材料提高传感器性能的策略。介绍了石墨烯压力传感器在可穿戴电子器件中的应用,包括人体行为和健康检测、人机界面、电子皮肤以及可穿戴显示器方面的优秀性能和前景。

导电纤维在智能可穿戴领域中的应用进展研究

导电纤维因质轻、高柔韧性及导电等优点已成为智能可穿戴领域的研究热点。回顾近几年导电纤维制备及其应用于智能可穿戴器件设计的研究成果,总结导电纤维的分类、制备方法、存在的问题及应用,展望其在智能可穿戴领域的应用。熔融纺丝和湿法纺丝制备的复合导电纤维是更有前途的智能可穿戴器件用纤维材料,制定并完善相关质量评定统一标准有利于整个行业健康规范发展。

纳米碳材料在可穿戴柔性导电材料中的应用研究进展

可穿戴设备的兴起使得对柔性器件的需求日益提高,柔性导电材料作为可穿戴器件的重要组成部分而成为研究的热点。传统的电极材料主要是金属,因金属材料本身不具有柔性,一般通过降低金属层厚度以及设计波纹结构等策略实现其在柔性器件中的应用,其加工程序复杂,成本较高。以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料兼具良好的柔性和优异的导电性,且具有化学稳定、热稳定、光学透明性等优点,在柔性导电材料领域展现了极大的应用潜力。本文简要综述了近年来纳米碳材料在柔性导电材料领域的研究进展,首先介绍了碳纳米管基柔性导电材料,分别包括基于碳纳米管水平阵列、碳纳米管垂直阵列、碳纳米管薄膜、碳纳米管纤维的柔性导电材料;继而介绍了石墨烯基柔性导电材料,包括基于剥离法制备的石墨烯和化学气相沉积法制备的石墨烯以及石墨烯纤维基柔性导电材料;并简述了碳纳米管/石墨烯复合柔性导电材料;最后论述了纳米碳材料基柔性导电材料所面临的挑战并展望了其未来发展方向。

可穿戴摩擦纳米发电机的研究进展

近年来,随着一系列柔性可穿戴器件概念的提出及产品的应用,如何为器件提供更加安全、方便、持续的能源成为一个亟需解决的问题。自2012年摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)被首次报导以来,由于其具有质量轻、安全性高、清洁环保及可持续性等一系列优点,正在成为人们关注的焦点。TENG能够利用摩擦起电及静电感应原理将机械能转化为电能,利用这一特点,人们可以将行走、打字甚至呼吸、眨眼、心跳等机械能转化为电能,继而为可穿戴器件持续稳定地供电。但是,TENG也存在着能量转化效率较低、输出功率不够高、脉冲式的电信号不够稳定等不足,这也成为TENG在实际应用中亟待解决的重大难题。从材料种类、结构形貌以及混合器件3方面,综述了近几年为提高TENG输出功率、稳定性等而进行的研究进展,详细分析了不同因素对器件性能的影响。

弹性敏感材料与传感器件

柔性电子技术是21世纪的十大新兴科技之一,正在引发新一轮电子技术革命。近年来,人们研发了一系列柔性甚至可拉伸的电子器件,此类器件具有柔韧、抗冲击、高效/低成本制造等优势,在可穿戴或可植入领域具有很好的应用前景。其中,弹性传感器件是信息获取的关键,在人机交互、运动/医疗健康等领域展示着重要的应用前景,而敏感材料、结构及器件设计是弹性传感器的关键。由于大部分敏感材料是刚性的,其拉伸性能无法满足弹性传感器的要求,因此,弹性传感器的核心挑战之一在于敏感材料的弹性化、多功能化。兼容弹性和功能性的传感器是人们目前关注的焦点。在材料的弹性/可拉伸能力方面,通过有效的结构设计可以使得金属薄膜适应更复杂的力学场景,例如将单轴褶皱改为多轴复杂褶皱;通过优化纳米材料的形貌/结构,可以获得能承受更大形变的复合材料,例如提高纳米线的长度以获得更加复杂稳定的导电网络;通过使用液态金属等本征可拉伸导电材料实现复合材料的高电导和任意拉伸性能。在材料/器件的多功能方面,人们也不断尝试使用多种敏感材料来探测力学、温度、磁场、湿度等多种信号。通过使用磁性敏感材料与高分子基体复合实现对磁场的探测;通过使用热致变色材料在高分子基体表面构建热致变色薄膜可以实现对温度的探测;使用弹性电极制备弹性微流道实现对汗液成分的分析。进一步在弹性系统的层面,研究人员将多种器件集成多功能系统以实现多种信号的感知,并结合仿生策略进一步将这些信号处理成人体神经可识别的信号,实现智能、高效的人机交互体验。本文归纳了弹性传感材料和器件的研究进展,分别对导电敏感材料、可穿戴器件及其应用场景进行了介绍。通过分析弹性传感器件的发展历程和目前所面临的挑战,希望能使研究者们有一定启发,并对弹性电子器件的未来进行展望,为实现更加灵敏、智能、低成本和用户友好型传感器件提供参考。

可穿戴力学传感器微结构的制备策略综述

为考察可穿戴力学传感器难以兼容大范围响应和高灵敏度等技术难题,文中结合可穿戴力学传感器微结构的金字塔、柱状和裂缝等不同类型,分别从非规则表面微结构、规则表面微结构和内部微结构三个方面进行了梳理。通过系统归纳总结激光刻蚀法、静电纺丝法、阳极氧化法、加热收缩法、预拉伸法等微结构的制备策略,为以微结构为基础设计的可穿戴力学传感器的研制及应用提供了理论依据。

我国学者研发出新型柔性声学超表面功能器件

据报道,中国科学院深圳先进技术研究院研究员郑海荣与华中科技大学教授祝雪丰、杨光等合作,研发出新型柔性声学超表面功能器件,该器件在高/超分辨医学成像、精准操控给药和可穿戴器件等领域具有重要应用前景。相关成果发表在《自然·通讯》上。“以往声学超表面结构通常是刚性且固定的,厚度在0.001~0.1 m量级,而且这些超表面的工作频率通常比较低,高频高性能应用受限。”

柔性可穿戴压力传感器的研究进展

简单介绍了压电、压容和压阻柔性压力传感器的特点,着重阐述了3种柔性压力传感器的工作原理及常用的柔性材料,综述了其在电子皮肤、人机交互、保健康复,生理信号监测等领域的应用。最后指出了近年来柔性压力传感器的国内外研究现状及发展过程中存在的问题,并对其面临的挑战与未来的发展进行了展望。

3D打印球冠式摩擦电自供能压缩传感结构及应用

针对柔性可穿戴器件对压缩应变传感的需求,利用摩擦纳米发电机摩擦生电的原理,设计可监测压缩应变的球冠式自供能压缩传感结构,以尼龙布和硅胶为正负摩擦材料,基于硬度差异化硅胶材料设计策略,实现球冠摩擦接触面积的压缩可变性,并阐释其自供能压缩传感的原理;配制3种硅胶打印墨水,采用自主研发的多喷头硅胶直写3维(3D)打印工艺与设备,制造相应的自供能压缩应变传感结构;借助冷场发射扫描电子显微镜对摩擦球冠的横截面形貌进行表征,分析不同硬度硅胶间的界面黏结性能;搭建可实现往复运动的压缩实验装置,通过实验研究球冠尺寸参数和压缩应变对传感输出电性能的影响规律。实验结果表明:3D打印球冠式摩擦电自供能压缩传感结构的最大压缩应变输出电信号随支撑球冠高度的增大而增大;开路电压、电荷转移量和短路电流均与压缩应变呈正相关,当压缩应变由7%增至35%时,开路电压峰值由5.3V增至22.2V,且具有良好的循环耐久稳定性。最后,以该球冠式自供能压缩应变传感结构为基础,设计一款自供能传感鞋垫,并探索其在步态监测和足底压力分布监测方面的传感性能,获得了良好的应用效果。研究内容为可穿戴柔性摩擦电式自供能压缩应变传感结构的一体化设计制造提供新思路与新工艺。

柔性相变复合材料及其应用研究进展

柔性相变复合材料因其兼具优异的相变储能特性、耐受外力形变的柔性及与控温器件复合的可加工性,在智能材料开发中受到研究者的广泛关注。文中详述了通过聚合物网络共混、多孔骨架吸附及相变分子结构设计等3种支撑结构策略制备柔性相变复合材料的研究现状;总结了其在电池热管理器件、可穿戴电子器件和柔性传感器等领域的应用;最后,对柔性相变复合材料的研究重点和未来发展方向进行了展望。

蚕丝基智能纤维及织物:潜力、现状与未来展望

纤维及织物因具有良好的柔性、透气性以及适宜的力学性能而成为人们日常生活必不可少的材料。随着柔性电子器件的快速发展,纤维及织物在其自身优势的基础上,开始被人们赋予智能化特征,使得智能纤维和织物逐渐在可穿戴领域占据一席之地。天然蚕丝具有产量大、机械性能优异和生物可降解的优势。近年来,面向智能应用的蚕丝基纤维与织物逐渐发展,被用于传感、致动、光学器件、能量收集和储能等领域。本文将首先介绍天然蚕丝的层级结构和性能,并介绍各种形貌结构的再生蚕丝材料;然后根据其在智能纤维及织物中应用领域的不同,详细阐述蚕丝基智能纤维及织物的制备方法、性能及工作机制;最后讨论进一步发展所面临的挑战与机会,并对未来前景进行展望。

电容耦合非接触电极及心电信号获取

电极与皮肤间接触所导致的不适感,是穿戴式心电信号测量系统实际应用中的常见问题。设计了一种非接触心电信号测量系统。采用印刷电路板制作的测量电极,借助电容耦合测量位移电流的方式获取心电信号。采用反接二极管提供测量所需的高阻值偏置电阻,结合高输入阻抗仪表放大器,制作了测量电极信号提取电路。测量系统由两个测量电极与一个直接与测量电路地相连的参考电极组成。选择金属铝板、导电纤维和导电橡胶作为参考电极,实验研究了共模干扰抑制性能与参考电极接触阻抗之间的量化关系。将主元分析与奇异谱分析相结合,提出了一种心电信号处理算法。实验结果表明,该系统可在棉质线衣外侧有效获得满意的心电信号。