织物基柔性力敏/光敏传感器研究

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近年来,柔性可穿戴电子设备广泛应用于人体健康监测、人机交互等领域。然而传统的传感器在性能上虽然取得了较好的成就,但在与人体的贴合以及透气性方面还存在较大的限制。最近,由于纤维和织物具有柔韧、可变形、透气等特点,可保证人体穿戴的舒适性,因此在柔性电子产品中具有很大的应用前景。目前,基于纤维和织物的柔性传感器正在大力发展,但现阶段的研究中仍然面临着诸如传感器灵敏度低、成本高、制备工艺繁琐、稳定性差等问题。本文以纤维和织物为出发点,探究了全织物电容式压力传感器的高效制备,研究了多孔纺织结构和材料的优化对其性能的影响。此外,由于自然环境是复杂多变的,外部刺激不只有压力,还有光照等环境变量。为了拓展纤维或织物在柔性传感领域的可发展性、多功能性,因此本文还探究了纤维基光电传感器的制备和光电响应特性。主要研究内容有:1、全织物电容式压力传感器的设计。通过静电纺丝技术制备了不同材料的纳米纤维膜,包括P(VDF-Tr FE)(Polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer)、P(VDF-HFP)(Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene)、PVDF(Polyvinylidene fluoride)、PVA(Polyvinyl alcohol)纳米纤维膜,研究其作为介电层对电容式压力传感器的影响。测试结果表明,以P(VDF-Tr FE)纳米纤维膜为介电层的全织物电容式压力传感器的灵敏度最高。通过控制静电纺丝的时间控制P(VDF-Tr FE)纳米纤维膜的厚度以得到具有最佳性能的全织物电容式压力传感器。本论文中的全织物电容式压力传感器展示出高灵敏度(1 k Pa下4.05 k Pa-1)、快速响应时间(<26 ms)、超低检测限(0.6Pa)等优异的性能。此外,传感器在经受14000余次按压以及1200多次弯曲后仍能保持原有的性能,具有良好的力学和电学稳定性。2、纤维基柔性光电传感器的设计。采用气相沉积方法,通过控制源材料的质量在纤维表面生长了不同厚度的硒化铋薄膜。探究了纤维基光电传感器在1550 nm、8μm、10μm红外波段的光学响应,重点测试了器件在8μm下的光电响应。测试结果表明:(1)随着源材料质量的增加,其响应度和探测率也会相应增加,但5 mg源质量生长的器件性能最稳定。此时,纤维基光电传感器的响应度R为3.035×10-5 A/W、探测率D*为4.744×10~6 Jones。(2)纤维衬底的直径和长度对器件的光电响应也有影响,随着器件的长度、直径减小,在一定范围内响应度和探测率随之提升,主要原因是有效探测面积的变化以及暗电流的变化。优化后的纤维基光电传感器的响应度R为1.819×10-4 A/W、探测率D*为5.114×10~7 Jones。(3)压力作用会使器件的暗电流降低,从而增大探测率,主要原因可能是压力作用改变了器件的表面结构从而影响了电流传输通道。3、织物基柔性传感器的应用研究。全织物电容式压力传感器可应用于人体活动信号和生理信号监测,不仅可以检测到如脉搏、声带振动等微弱的力学信号,还可以检测到人体运动时关节弯曲和肌肉运动的信号。将其用于机器人抓取动作识别,可以检测物体的滑移过程。在传感器的优异性能的基础上,将其组装成压力传感阵列,用于检测空间上的压力分布。将其与织物手套结合可以用于检测抓取物体时指尖的压力分布。此外,为了实现复杂环境下多物理量的信号探测与采集,将纤维基光电传感器和全织物电容式压力传感器集成到织物手套上用于感知自然光照条件下的光响应和力响应。
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