柔性电子:动态识别物理信号的柔性聚合物传感器

介绍了一种基于PVDF和P3HT的柔性换能器,用于高效检测生理信号。该设备采用半导体聚合物活性层,能够实现毫秒级响应速度和高压力灵敏度,适用于区分瞬息万变的信息,检测心脏骤停引发的异常信号,评估心脏药物效果。

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期刊影响因子: 13.
摘要:

有半导体聚合物活性层

flexible transducers from ferroelectric polymer thin film with underneath semiconducting polymer active layer for high sensitive and versatile detection of physiological signals are described

结果和讨论

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器件使用spin-coating 方法制作

P3HT (Poly(3-hexylthiophene) )作为半导体层:高迁移率,柔性,耐大多数溶剂。

  1. P3HT溶解在甲苯(toluene) 中,spin-coat在PET基底上,PET基底上有finger electrode pairs。
  2. 将PVDF溶解在甲乙酮,旋涂spin-coat在P3HT上,制备器件。

之后再真空下干燥,去掉PVDF和P3HT上残留的溶剂

热退火来增加结晶度和incorporate the CFE units as defects in the polar crystals and then break the large coherent crystalline phases into smaller ones.【25】

之后极化,

Figure 1b展示了器件在压力下工作方式。
P3HT是空穴传输型半导体,电流只能流过空穴层

PVDF是电绝缘体,且是有着高极化响应的材料。为中和电荷,在P(VDF-TrFE-CFE)层会出现负电荷

信号作为指尖电流信号读出
有机半导体的原理:
利用应该是顶栅底接触式,其中铁电材料担任绝缘体和提供栅源电压,引起电荷偏移。
http://www.elecfans.com/yuanqijian/mosfet/20180103610343.html

制造

材料

P(VDF-TrFE-CFE): 摩尔分子比68/32/8 Solvay, Belgium
P3HT: Sigma-Aldrich

硝酸甘油 片Nitroglycerin tablets (每片0.5mg 三硝酸甘油酯 glyceryl trinitrate)Beijing Yimin Pharmaceutical Co., Ltd
异氟烷 Isoflurane: Shandong Keyuan Pharmaceutical Co.Ltd.

动物实验

雄性白兔

器件制造:
  • 30nm厚的梳齿电极,通过模板,使用热蒸发方法将金沉积到PET基底上。
  • P3HT 5mg/mL 在70摄氏度下 溶解到甲苯(toluene)中
  • 通过spin-coat方法将P3HT沉积到PET基底上, 3000rpm, 40s 在clean room
  • P(VDF-TrFE-CFE) 溶解到甲乙酮(methylethyl-ketone)中,浓度为100mg/mL, 在室温下空隙0.4um的过滤器中过滤
  • 3000rpm 40s 旋涂 clean room
  • 之后再真空 120摄氏度下 退火 2h
    P3HT的厚度约为50nm, PVDF 2um。
    在 硅基底和器件之间使用PVA层,可溶于水。传感器从基地上脱落,坚固的固定到皮肤上。

器件:spin-coater: KW-4A, Beijing SETCAS Electronics Co., Ltd

introduction

CVD 心血管疾病???

脉搏记录动脉血流的微小压力转变。
Fast response in the range of milliseconds to seconds and high pressure sensitivity (down to several Pascal) are necessary to distinguish the transient information, [ 11–17 ] detect the abnormal signals induced by heart attack, and even evaluate the effi ciency of heart drugs
需要在毫秒至秒内的快速响应和高压力灵敏度来区分转换信息,来检测由心脏病诱发的不正常信号和评估心脏病药物的有效性。
之后引出PVDF,并讲述PVDF的优势:响应时间快
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为验证能检测药物影响,做了给小白鼠服用 硝酸甘油 片,检测脉搏水平
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<think>好的,我现在需要处理用户关于柔性传感器技术原理及应用的查询。首先,用户提供了几个引用资料,我需要仔细阅读并理解这些引用内容,以便正确引用到回答中。 首先,用户提到的引用[1]指出柔性传感器的变形因应用而异,不一定需要出色的机械鲁棒性,但强调了开发时应考虑的重要问题。这可能涉及到材料选择和结构设计方面的内容。接着,引用[2]提到BendLabs的弯曲传感器使用差分电容原理,这是技术原理的一部分,需要详细说明。然后,引用[3]讨论了系统级应用,包括无线传输、多功能集成等,这部分可以用于应用场景的扩展。引用[4]描述了不同传感器的结构,如光学、微流体和导电布原理,这些可以作为技术原理的补充例子。 接下来,我需要按照用户的要求,将回答分为技术原理和应用场景两部分,并确保所有数学表达式正确使用$...$或$$...$$格式。同时,生成相关问题,并在引用处正确标注来源。 在技术原理部分,需要涵盖应变敏感材料、结构设计、信号转换机制。例如,差分电容原理(引用[2])、光学原理和微流体(引用[4])。应用场景应包括医疗健康、人机交互、运动捕捉(引用[2])、智能穿戴和环境监测(引用[3])。系统级应用部分需要提到无线传输、自供电技术(引用[3])。 需要注意的是,用户提供的引用[1]提到机械鲁棒性因应用而异,这可能需要在技术原理的结构设计部分提及,说明不同应用对材料的要求不同。此外,引用[3]中的无线传输和智能反馈在系统级应用里要强调。 在生成相关问题的时候,要确保问题覆盖技术细节、材料挑战、应用案例和未来趋势,如引用[3]提到的融合发展空间,可以作为未来发展的相关问题。 最后,检查LaTeX格式是否正确,例如变量和公式是否用$...$包裹,独立公式是否用$$...$$并单独成段。例如,微流体电阻变化公式可能需要用$R = \rho \frac{L}{A}$这样的表达,但用户提供的引用中没有具体公式,所以可能需要避免假设,或者根据引用[4]提到的电阻变化简要说明。 总结来说,回答结构应清晰,分点列出技术原理和应用场景,正确引用每个部分对应的引用资料,并在末尾生成相关问题,确保每个引用标识自然添加。</think>### 柔性传感器技术原理及应用 #### 一、技术原理 1. **应变敏感材料** 柔性传感器通常采用导电聚合物、碳基材料(如石墨烯)或金属纳米线等材料,其电阻或电容特性会随形变(拉伸、弯曲、扭转)发生变化。例如,BendLabs的弯曲传感器通过**差分电容原理**实现角度测量,弯曲时电容差值反映形变程度[^2]。 2. **结构设计** 传感器的机械鲁棒性需适配具体应用场景。例如: - **光学原理**(引用[4]):通过光电二极管检测光强变化,敏感于拉伸、弯曲和扭转。 - **微流体设计**(引用[4]):内部填充导电液体,形变导致电阻变化,适用于拉伸和按压检测。 - **导电布**(引用[4]):仅对拉伸敏感,结构简单但功能单一。 3. **信号转换机制** 物理形变通过电路或光学系统转化为电信号。例如,电容变化公式为: $$C = \frac{\varepsilon A}{d}$$ 其中,$\varepsilon$为介电常数,$A$为极板面积,$d$为极板间距[^2]。 #### 二、应用场景 1. **医疗健康** - **运动捕捉**:BendLabs传感器用于人体关节角度监测(如康复训练)[^2]。 - **生理信号监测**:柔性电极可贴合皮肤检测心电、肌电信号。 2. **人机交互与智能穿戴** - 集成近场通信或蓝牙技术,实现手势识别或动作反馈(引用[3])。 - 智能手套通过弯曲传感器控制虚拟现实交互。 3. **环境监测** - 柔性气体传感器检测污染物,结合无线传输技术实时上报数据(引用[3])。 4. **系统级创新** - **自供电技术**:利用压电材料将机械能转化为电能,减少外部供电依赖(引用[3])。 - **多功能集成**:单一传感器可同时检测温度、湿度和压力(引用[3])。 ---
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