我校科研人员在高灵敏度可穿戴气体传感器研究领域取得重要进展

2020/05/31河北工业大学

引言

柔性电子颠覆人机交互时代,在万物互联背景下,人们对柔性可穿戴电子器件的需求日益增加。可穿戴气体传感器件在人体健康和环境监测的应用需求迅速增长。人体呼出气中的气体种类及含量与人体健康密切相关,在无感觉的状态下,时刻关切人体呼吸活动,监测呼出气中的疾病标志性气体含量,是实现长效健康管理、非侵入、无痛、便捷诊断的关键。同时,我国大气污染问题日益严峻,面向可穿戴设备的柔性、高性能气体传感器对于环境污染气体的实时监控具有重大研究意义和应用前景。

成果简介

近日,我校机械工程学院健康护理机器人团队杨丽副研究员,利用激光直写技术,成功研制出高灵敏度可穿戴气体传感器,可用于人体健康与环境的监测。使用机械车间常用的二氧化碳激光,将一种三维多孔石墨烯材料图案化,代替了原来加工复杂的叉指电极,直接连接纳米材料以接收信号。采用广泛使用的还原石墨烯和二硫化钼复合纳米材料,氧化铜和氧化锌壳核结构的低维复合金属氧化物纳米材料两类材料作为传感平台上不同传感器的气敏材料,以提高传感器的灵敏度。在传感器的非感应区域创建了银涂层的蛇形线条,通过向银涂层施加电流,电阻值较高的气体感应区域局部加热,从而无需单独的加热器,实现了自加热功能的集成,让传感器快速恢复和重复使用。蛇形线条能够使传感器像弹簧一样拉伸,以适应身体的不同弯曲变化。该成果以题为“Novel gas sensing platform based on a stretchable laser-induced graphene pattern with self-heating capabilities” 最近发表在《Journal of Materials Chemistry A》期刊(IF=10.73)上,并作为封面文章(back cover)突出发表。

图文导读

期刊封面

可穿戴气体传感平台加工过程及可穿戴性示意图

(a) 基于激光诱导石墨烯的气体传感平台加工示意图

(b) 气体传感平台的可穿戴性示意图

气体传感器的(a)动态特性 (b)重复性 (c)-(d)检测限 (e)选择性 (f)拉伸性能

总结

该智能传感平台对现有的可穿戴传感器进行了改良,添加了增强灵敏度的自加热机制,可实现气体的快速恢复和重复使用,其它同类型设计则需要单独的加热器。同时,相较与其它可穿戴传感器需要在无尘环境中光刻加工,成本高昂且耗时长,该传感平台仅需在机械车间中常见的二氧化碳激光器即可以实现批量制造。该平台在显示超低浓度、高灵敏度、可拉伸的同时,兼具低成本、大规模制备等优势,可用于监测人体气体生物标志物以及可能对肺部造成损伤的环境污染物,或将很快投入商用,开拓了基于激光诱导石墨烯的可穿戴电子器件在气体传感领域的广阔应用。

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团队简介

该团队依托河北省人机融合与智能传感重点实验室,致力于人机共融系统的基础与应用研究,包含智能护理机器人、柔性外骨骼、脑机接口及其在康复机器人上的应用、生理信息监测、柔性可穿戴电子器件等方面的研究,获得了国家重点研发计划、自然基金等多类项目的支持,近两年在IEEE 系列期刊、机械工程学报国内外著名学术期上发表了多篇学术论文。

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