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科研进展
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激光直写制造超高灵敏碳化硅电子皮肤
发表时间:2018-11-30 阅读次数:400次

背景简介

        人为什么可以感受到冷热与疼痛?这是因为我们的皮肤是人体最大的感知器官,是人与外界环境相互作用的桥梁。皮肤中的感受器主要有疼痛感受器、冷热觉感受器和四种机械刺激感受器。以皮肤中的机械刺激感受器为例,它可以在不同时间尺度和空间尺度测量作用力,当皮肤中的感受器接收到外界刺激,通过神经纤维传将电信号传至大脑皮层,形成感觉。当一些人群因意外或者疾病使得皮肤丧失感知能力且不能修复的时候,可否有能够替代皮肤功能的器件帮助我们重新恢复对外界感知?

        电子皮肤作为一种人工合成的可穿戴式电子产品,因其具有模拟人体皮肤感知、识别和传递各种外界刺激的能力而备受关注。电子皮肤可以集成到各种设备,如假肢和机器人,提高截肢患者的生活质量,同时获得肌肉收缩、脉搏心率、关节运动等信号,实时监测人体健康状况。为了实现上述应用,不仅需要高灵敏度、柔性和高稳定性的传感器检测机械变形,而且需要一种高效、可扩展的方法来制造和集成传感器。采用成本低廉、制造步骤简单的方法在弹性基底上制备图案化传感材料,是电子皮肤开发面临的一大挑战。

 

成果介绍

        激光直写技术广泛用于制备传感器和储能器件,它可以实现材料的合成和器件的图形化。尽管目前已经报道了一些激光直写图案化电子器件的研究,但仍有以下问题存在:(1)激光直写技术能够在许多物质(如PI、木材等)上合成传感材料,但它们并不是电子皮肤的理想基底,因为它们的模量相对于人类皮肤而言较高。(2)激光直写合成的传感材料需要经过转移、去除不需要的前驱体等后续步骤才能制备成电子皮肤。如何开发新的技术,直接在弹性基底上合成传感材料并实现器件的图案化是亟待解决的问题。

        本研究利用激光的定域加热作用,将Ecoflex弹性体直接转化为SiC,同时配以激光直写路径规划,获得了基于 SiC的电子皮肤(图1)。实验结果表明,器件灵敏度最高可达2.47×105,远远超过基于MEMS制造工艺的SiC传感器。除高灵敏度外,器件最小应变探测极限为0.05%,最高频率测试极限为1Hz, 10000次疲劳测试后电学性能稳定(图2)。             

 

图1 激光直写SiC过程示意图和实物照片

 

图2 SiC电学性能测试曲线

 

        该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、上海高等学校特聘教授(东方学者)项目、上海科技启明星等项目的支持。  

        论文信息:Yang Gao, Qi Li, Rongyao Wu, Jin Sha, Yongfeng Lu, and Fuzhen Xuan, Laser direct writing of ultrahigh sensitive SiC-based strain sensor arrays on elastomer toward electronic skins, Advanced Functional Materials 2018, DOI: 10.1002/adfm.201806786.

 

(图文供稿:华东理工大学高阳特聘研究员;网络编辑:侯志伟,朱明亮)