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机械院团队在声表面波和柔性应变传感领域取得系列进展

发布于:2022/07/25

人类为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官,而高端装备、智能机器人、飞机、高铁等感知外界参量则需依赖传感器。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。随着信息技术的发展,传感器件正向高灵敏度、微型化、柔性化和智能化方向发展。研制基于新机理、新材料、新工艺和新结构的高性能传感器件对实现超敏检测具有重要意义。近期,机械院段辉高教授与周剑副教授的合作团队在声表面波传感及柔性可穿戴应变传感领域取得了系列进展。

1. 超高频声表面波传感器,实现超敏微质量探测

通过开发极限纳米加工工艺,在高声速LiNbO3/SiO2/SiC异质结构衬底材料上制作了波长为160 nm、线宽为35 nm的叉指换能器,实现了最高工作频率约为44 GHz的超高频SAW谐振器,刷新了目前SAW器件的工作频率纪录。同时,该研究还实验验证了44 GHz超高频下的微质量传感应用,获得的质量灵敏度高达33151.9 MHz·mm2·μg1,约为传统低频SAW器件的4000倍。相关工作以“Record-breaking frequency of 44 GHz based on the higher order mode of surface acoustic waves with LiNbO3/SiO2/SiC heterostructures”为题发表在全球工程综合期刊排名第一的Engineering(IF 12.8)上(https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.05.003)。

2.宽范围、高灵敏度柔性可拉伸应变传感器

通过溶液处理的策略在Ecoflex衬底上实现了多尺度褶皱,并基于此开发了宽范围、高灵敏度的石墨烯/Ecoflex柔性可拉伸应变传感器,其拉伸应变范围高达650%,应变灵敏度(GF)高达1078.1,响应时间优于140ms。研制的传感器可用于监测人体生命体征信号(脉搏、呼吸等),并结合远程监测云平台,实现了多用户实时在线监测。该传感器还可与惯性传感器一起集成在智能手套中,实现远程拆弹任务。相关成果以“Multiscale and hierarchical wrinkle enhanced graphene/Ecoflex sensors integrated with human-machine interfaces and cloud-platform”为题发表在“自然合作期刊”npj Flexible Electronics(IF 12.0)上(https://doi.org/10.1038/s41528-022-00189-1)。

此外,该团队采用多重交联协同策略,开发了一种超拉伸、高灵敏度和自粘附的导电水凝胶。多重互穿网络结构及其强相互作用赋予水凝胶优异的拉伸性(断裂伸长率达10300%)、高灵敏度(GF达13.45)以及长期稳定的自粘附特性,且可以组装成可穿戴应变传感器实现人体微弱生理信号和关节大拉伸运动的高敏检测。开发的水凝胶传感器通过与云平台结合,实现了跨国远程监测。相关成果以“Bio-inspired, Super-stretchable and Self-adhesive Hybrid Hydrogel with SC-PDA/GO-Ca2+/PAM Framework for High Precision Wearable Sensor”为题发表在Chemical Engineering Journal(IF 16.7)上(https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137259)。

系列工作得到了国家自然科学基金、湖南省科技攻关项目、广东省重点研发计划项目等资助。

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