摩擦—转移法制备柔性应变传感器及其性能研究

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随着社会进步和科技的发展,在传感器领域出现了前所未有的发展和机遇,柔性可拉伸传感器也得到了广泛的关注和快速的发展。目前柔性应变传感器在兼具高灵敏度和高可拉伸性方面仍存在一定挑战。为应对该挑战,本论文提出了一种低成本、便捷的摩擦-转移工艺来制备的石墨/VHB(3M Very High Bond tape)柔性应变传感器。首先对导电微粒通路微观形貌的表征并通过选择摩擦衬底、多层结构以及预老化等工艺优化传感器的拉伸性能,测试得到的柔性应变传感器的拉伸率可达50%、灵敏度(Gauge Factor)达20到1000,并利用柔性传感器实时监测机械手臂样品的动态弯曲。初步制得的传感器在拉伸率方面仍不足以覆盖高动态范围(100%以上)的拉伸情景。针对上述不足,本文进一步通过采用一种宏观力学结构设计,以实现对柔性应变传感器拉伸特性曲线的动态调节。在非对称双层传感器结构中引入上下层厚度比α和长度比β,结合力学仿真分析研究变量对传感器拉伸特性曲线的影响,最终通过宏观结构设计实现了传感器的不均匀应变分布实现对拉伸特性曲线的调控,使传感器同时具备高可拉伸率(200%)和高灵敏度的特性(Gauge Factor达到1000)。将结构优化后的样品进行高灵敏度情景(脉搏)以及高拉伸率情景(肢关节)应用测试,验证了传感器的高可拉伸率和高灵敏度。本论文中制得的石墨/VHB柔性应变传感器具备优秀的可拉伸率和灵敏度,且重复性和耐久度良好(10%循环超过500次),在进一步通过宏观力学结构设计后,传感器可以获得可控的动态拉伸特性曲线,在多种应用情景测试中表现良好,在未来可穿戴柔性电子设备、机器人皮肤以及人机交互等领域有很大应用前景。
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