基于PVDF-TrFE/ZnO复合体系压电式触觉传感器的性能优化与应用研究

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柔性触觉传感器能够感知外界压力信息,在当今万物互联、智能电子时代中扮演着重要的角色。本文以有机压电材料聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)和无机压电材料纳米氧化锌(ZnO)为研究对象,通过提高薄膜中全反式构象(β相)含量,制备出具有优异性能的压电式柔性触觉传感器。论文主要研究工作和结果如下:(1)采用溶液滴铸法制备出PVDF-TrFE压电式柔性触觉传感器,研究了退火温度对薄膜特性及其传感器压电响应的影响。结果发现,在合适温度(130℃)下退火处理可使PVDF-TrFE薄膜中β相的含量从73.72%提升至87.50%,薄膜的结晶度也得到一定改善,所制备的柔性触觉传感器在0-9 N的外力刺激下,灵敏度为645.57 m V/N。另外还发现,传感器输出电压波形的正、负幅值和形态在不同工作温度下存在明显差异,表现出了较高的温度敏感性,表明该传感器可同时用于力学信息和温度的感知。(2)采用旋涂法制备了PVDF-TrFE压电式柔性触觉传感器,研究了旋涂速率和层数对传感器性能的影响。结果表明,旋涂法会产生和机械拉伸一样的效果,较高的旋涂速率会产生剪切应力以优化偶极子的取向。通过优化得到旋涂速率为1500 r/min 5层膜制备的压电薄膜的β相含量最高为75%,所制备的压电传感器在没有极化的情况仍表现出优良的传感性能,灵敏度为239.99 m V/N。(3)采用旋涂法制备出Nano ZnO-PVDF-TrFE压电复合薄膜柔性触觉传感器,研究了不同纳米结构ZnO(纳米颗粒、纳米棒和纳米四角针状)和纳米ZnO含量对传感器压电特性的影响。结果表明,在纳米ZnO质量比较低的情况下,纳米ZnO的掺入有助于改善薄膜中β相含量和晶体结构,其中掺入0.75 wt%的ZnO纳米棒制备的复合压电膜中β相含量高达91%,对应传感器的灵敏度达到586.26 m V/N。(4)采用旋涂法在水热生长的ZnO NRs薄膜上沉积PVDF-TrFE膜制备出双层压电膜结构的柔性触觉传感器。结果表明,在外力的刺激下,具有高长径比的ZnO NRs薄膜不仅能够通过自身的压电性增加器件的输出性能,还可以将PVDF-TrFE薄膜内部分离成更小的区域,使得更多的偶极子朝同一方向发生偏转,其β相含量最高可达95.06%,此时传感器的灵敏度高达935 m V/N,相较于复合薄膜结构压电性能提高了1.5倍。该传感器制备工艺简单,经应用测试显示,传感器对人体呼吸、手指或喉咙运动、雨滴、风速大小都具有良好的感知能力,表明该传感器在个人医疗诊断、人工智能和可穿戴电子设备领域中具有极佳的应用潜力。
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