基于EGaIn的柔性电子传感器的制备及其性能研究

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柔性电子传感器是指采用柔性材料制成的传感器,具有良好的柔韧性、延展性、灵活性等特点,在可穿戴电子领域中展示出广阔的应用前景。但是目前制作工艺成本高、透明度差、共形性较差等问题限制了柔性电子传感器的大范围应用,因此体积更小,成本更低,重量更轻,更易于携带的新型柔性电子传感器引起了广泛的关注。针对上述问题,本论文采用丝网印刷工艺,通过将镓铟合金(EGa In)油墨修饰在柔性基底上,制备了透明轻薄的柔性电子传感器,并通过SEM、EDS测试表征手段以及灵敏度、响应时间、疲劳循环等电学性能测试方法对其表征。具体工作如下:(1)以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)膜为基底,通过丝网印刷工艺制备了基于EGa In油墨的柔性应变传感器。经实验探索,1:4比例的聚乙烯吡咯烷酮(PVP):EGa In的油墨,具有优异的导电性能;在0~120%应变范围内,基于1:4比例油墨、90°弯曲角度和1.2 mm电路宽度的传感器具有较大的灵敏度,达到1.5mm-1;在40%应变拉伸下,该传感器具有超过500次的疲劳循环。该传感器可以对手指弯曲以及人体运动进行优良的实时监测,展示了一些潜在应用。(2)以硅胶膜为基底,以硅胶膜、聚乙烯膜(PE)、聚酰亚胺膜(PI)三种薄膜材料作为介电层,通过丝网印刷工艺制备了基于EGa In油墨的柔性电容传感器。经实验探索,基于0.0125 mm厚度的PI膜介电层的电容传感器可以检测到0.02N的极小压力;在25 N的大压力下可以保持稳定的电信号响应;在0.8 k Pa到3.2k Pa的压力范围内,具有0.253 k Pa-1的较大灵敏度;100 g压力下的响应时间为400ms,恢复时间为600 ms,具有超过400次疲劳循环性能。该传感器可作为传感单元应用于阵列传感中。(3)在上述制备的传感器的基础上,结合形状记忆复合电驱动材料,对驱动材料Vitrimer进行实时感知。经实验探索,当Vitrimer材料从临时形状变形到永久形状时,电容可以回复到原始状态值;将Vitrimer材料粉碎回收进行二次加工,始末态电阻没有发生明显的变化,始末态电容发生了细微的变化,前后电容差值为3p F;基于EGa In油墨直接转印于Vitrimer基底的可行性,成功制备了一种驱动传感一体化的三明治结构,可以感知4%的极小应变,在0~4%应变范围内下具有1.2mm-1高灵敏度,为相关技术在航天领域的潜在应用提供了数据支撑。
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