基于力致发光粒子的柔性电容式压力传感器设计

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传统的电容式压力传感器通常由硬质材料制成,在具有不规则表面的人体表面、机器人表面等难以进行信息的采集和传递。柔性电容式压力传感器可以很好的解决这个问题。本文制备了基于多孔PDMS/石墨烯柔性介电层的电容式压力传感器,并且在此基础上将Zn S:Cu2+与Li Nb O3:Pr3+力致发光荧光粒子结合到电容式压力传感器之中制备了基于力致发光粒子的柔性电容式压力传感器,并且研究了不同因素对器件性能的影响。它能够通过结合电响应和光学响应来量化和映射静态和动态压力,在低压时有明显的电响应,在高压时有明显的光响应。具体如下所示:第一章,详细介绍了压力传感器的分类和目前国内外的研究进展,以及力致发光材料的应用和国内外研究进展。第二章,介绍了电容式压力传感器的传感机制以及影响传感器灵敏度的因素,分析了电容式压力传感器的原理及其灵敏度提高的原理,介绍了力致发光荧光材料的发光机理。第三章,为了减少电容式压力传感器的制备成本,提高电容式压力传感器的灵敏度等性能,基于多孔PDMS/石墨烯复合材料设计了“三明治”结构柔性电容式压力传感器,将机械力信号转换为电信号输出,实现了压力的检测。通过研究对比发现,所制备的传感器灵敏度等性能得到了提高,施加的压强在0-50k Pa时灵敏度为0.01844 k Pa-1,大于50 k Pa时灵敏度为16.6×10-4 k Pa-1。而且传感器的迟滞性小,重复性能好,经过1000次的循环施压后电容值还可以稳定输出。研究了传感器的应用,可以很好的探测手指的弯曲。第四章,为了增加电容式压力传感器的功能性与应用性,进一步提升传感器的性能,通过固相法制备了Zn S:Cu2+力致发光材料,将其分散在PDMS中,制备了基于Zn S:Cu2+力致发光荧光粒子的电容式压力传感器,实现了集成压力探测和可视化伤害警告的柔性电容式压力传感器。传感器在较小的压强下有很好的电响应,在较高的压强下有很好的光响应。研究了传感器随着压力的增加发光强度的变化,以及随着压力的增加电容值的变化。传感器具有很高的灵敏度,电容性传感的灵敏度高达0.01267k Pa-1,发光性传感的灵敏度为0.004k Pa-1,迟滞性小,重复性好。此外还可以监测鼠标的按压,当按压的力过大时会发出明亮的绿光。第五章,为了使基于力致发光材料的电容式压力传感器的发光性能具有多样性,基于Li Nb O3:Pr3+力致发光材料,设计了柔性电容式压力传感器。传感器在受到高的压力时会发出明亮的红光,在不同的压力下发光强度不同。同时传感器具有很高的灵敏度,电容性传感的灵敏度高达0.01846k Pa-1,发光性传感的灵敏度为0.00378 k Pa-1。传感器的迟滞性小,重复性好。此外,还研究了传感器的手掌握拳测试的应用,可以很好的检测手部的握拳行为,通过线性拟合函数可以分析手掌受力和握拳弯曲程度,当握拳力度较大时会发出红光。
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