【摘 要】
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柔性电子技术作为近年来发展迅猛的新兴产业,未来市场前景广阔,颠覆性地改变了人-机-物的融合,是融合实体、数字和生物世界的变革性力量。柔性力学传感器作为柔性电子系统中重要的组成部分,引发了持续高涨的研究热情,在个性化医疗保健、运动检测、人机交互等领域都有着广泛的应用前景。近年来柔性力学传感器取得了显著进展,不但在性能上有所突破,而且不断在集成化和多功能化需求上也取得很大进展。作为一种传导器件,柔性力
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柔性电子技术作为近年来发展迅猛的新兴产业,未来市场前景广阔,颠覆性地改变了人-机-物的融合,是融合实体、数字和生物世界的变革性力量。柔性力学传感器作为柔性电子系统中重要的组成部分,引发了持续高涨的研究热情,在个性化医疗保健、运动检测、人机交互等领域都有着广泛的应用前景。近年来柔性力学传感器取得了显著进展,不但在性能上有所突破,而且不断在集成化和多功能化需求上也取得很大进展。作为一种传导器件,柔性力学传感器能够将外部的物理刺激转换为可测量的电信号,因此信号转换过程中的力电耦合是影响器件传感特性的关键。据此,本课题着眼于柔性力学传感器的力电耦合特性,分别从敏感材料和柔性衬底的结构设计着手,开展了柔性力学传感器的性能调控研究。通过探索不同力学传感器件的作用原理,设计制备了一系列具有可调控特性的柔性力学传感器,并探讨了柔性力学传感器在多种场景中的应用。主要研究内容如下:（1）基于激光诱导石墨烯技术制备还原氧化石墨烯应变传感器,通过图案化设计感应材料石墨烯的宏观形状,并且研究了还原氧化石墨烯薄膜具有不同特征图案设计时的应变分布规律。提出了一种通过图案化设计实现石墨烯薄膜应再变分布的调控方法,通过应力传递改变了石墨烯与柔性衬底的界面应力分布,进而改变了石墨烯薄膜的裂纹分布和扩散模式。通过调控裂纹扩散模式,从而实现了具有可调控传感特性的应变传感器的制备。通过对三种不同特征结构图案设计的柔性应变传感器传感性能的研究,证实了图案化设计对于薄膜的电学性能的影响。并且,将柔性应变传感器应用于检测人体眼睑处的肌肉跳动模式进一步地可以实现对人体疲劳状态的模式识别功能。（2）基于激光诱导石墨烯技术制备具有复杂微观形貌的石墨烯,通过掺杂绝缘磁性纳米颗粒,并且进一步地使用外部磁场诱导纳米颗粒的重分布。通过引入外部磁力实现了对具有插层结构的石墨烯复合材料的力学和电学性能的调控,基于此发展了具有良好传感特性的柔性压力传感器。通过微观形貌设计提升了石墨烯复合材料的力学特性,仅由磁诱导重分布的复合材料具有优异的压阻特性。基于此发展了兼容宽范围和高灵敏度的柔性压力传感器,并且通过阵列化设计实现了受力分布的感知功能。此外,高灵敏度的压力传感器还可用于感知人体脉搏动作识别等生理信号的应用。（3）设计制备了一种集成有负泊松比特性的力学超构结构的微流体应变传感器,通过超构材料调控微流体的形变行为,有效地实现了对微流体应变传感器的传感特性的调控作用。通过超构材料的结构设计实现了微流体应变传感器的方向解耦,分别制备了全向敏感和定向不敏感类型的微流体应变传感器。此外,将具有特定方向不敏感特征的微流体传感器应用于人体皮肤表面的触觉感知探测,通过有效地屏蔽了腕部弯曲等大幅度动作对于触觉信号的干扰,从而实现了人体皮肤表面触觉感知信号的精准测量。（4）制备了具有现场可自定义传感特性的柔性应变传感器。基于应变集中结构设计原理,制备了具有非均匀的应力分布的柔性异质衬底。并且通过在柔性异质衬底中引入低熔点金属,利用低熔点金属的相变特性实现了柔性异质衬底的力学特性的实时可逆控制。通过电控装置实现了柔性异质衬底的应变再分布,进而基于此制备具有现场可自定义传感特性的柔性应变传感器,应变传感器的传感特性可以随衬底异质程度变化而实时变化,因此实现柔性应变传感器在高灵敏度和宽感应范围特性之间的动态切换。本课题的研究成果有望提升对柔性力学传感器力电耦合效应的理解,并且通过对力电耦合效应的理解丰富了以应用场景为导向的柔性力学传感器的器件设计策略。
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