基于不同结构的石墨烯薄膜柔性压力传感器的性能研究

来源 :长春工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dianquan999
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随着智能可穿戴电子设备及医疗器械需求的不断增长,开发新型柔性压力传感器设备是备受关注。可穿戴压力传感器不仅能够检测生理信号引起的细微压力变化,还可设计成多功能医疗检测仪。近年来,如何提高压力传感器的灵敏度、响应时间和恢复时间及稳定性是国内外的研究热点。本文基于石墨烯薄膜设计了三种不同微结构敏感层,以提高压力传感器的性能。具体研究内容如下:(1)设计了一种具有蜂窝结构的还原氧化石墨烯(r GO)薄膜的敏感层,制备的压力传感器在常温下(25℃)和低温下(-196℃)都拥有较高的灵敏度。利用水合肼还原产生气体来控制薄膜的蜂窝结构并测试基于不同厚度膜层所制备的压力传感器灵敏度。该结构压力传感器不仅表现出低温可折叠性,同时还具有优异的性能。当环境温度为25℃时,其灵敏度为0.009 k Pa-1,响应时间和恢复时间分别为16 ms和22ms,良好的循环稳定性(>1200次);而在超低温-196℃时,灵敏度增加至0.05 k Pa-1,响应时间和恢复时间分别约为13 ms和25 ms,并在此基础上探究了柔性可穿戴压力传感器在健康医疗和集成器件的潜在应用。(2)设计了一种具有突触结构的r GO薄膜的敏感层,该方法中,首先通过模板制备突触结构的的氧化石墨烯(GO)薄膜,再利用热还原法制备r GO薄膜,进而组装成压力传感器,讨论了不同还原温度对其所制备的压力传感器灵敏度的影响。结果表明,当还原温度为180℃时,性能最佳。此时,灵敏度可以达到4.19 k Pa-1,传感器的响应时间和恢复时间分别为52 ms和62 ms,并具有良好的循环稳定性(>25000次)。另外,该结构的压力传感器可以作为可靠的健康检测和运动记录的设备来监测全面的人体生理信号。将多个传感器组成3×3阵列,实现了映射空间压力分布。(3)设计了一种具有波浪结构的r GO薄膜的敏感层,该方法中,通过拉伸-放缩的方法制备了一种波浪形结构的GO薄膜,再利用HI还原制备r GO薄膜作为敏感层,进而组装成压力传感器。并讨论了不同拉伸比对其制备的压力传感器灵敏度影响。结果表明,灵敏度随着拉伸比的增加而增加,当拉伸比为180%时,传感器性能最佳。此时,灵敏度可以达到2.64 k Pa-1。同时,传感器的响应时间和恢复时间分别为6 ms和20 ms,并具有良好的循环稳定性(>12000 s)。该结构压力传感器可用来检测人体生理信号,并在此基础上组装的3×3阵列传感器实现了映射空间压力分布。
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