一种柔性压力传感器温度漂移补偿设计方法研究

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柔性电子技术是一种将电子元器件制作在柔性基底上的新兴技术,目前在人体医疗监测,机器人智能等领域得到了广泛的应用。柔性电子的传感机制多种多样,可以分为电阻型,电容型,压电型,摩擦电等等。其中电阻型柔性器件因其稳定性好、灵敏度高、频率响应的范围宽、便于集成化等特点已经成为目前发展最为迅速,成为主流工作原理之一。柔性压力传感器柔韧度高,可以贴合人体皮肤,并感知外部压力等特点经常与其他传感器集成在一起构成多功能的传感器。这种集成多种传感器的柔性集成式传感器引起了广大专家学者的广泛重视,称之为电子皮肤。然而与传统电子器件一样,柔性器件的输出性能对温度具有非常高的敏感性,从而产生温度漂移。温度漂移严重制约了传感器的灵敏度以及测量精度,因此对传感器进行温度补偿具有非常重要的意义。针对压力传感器的温度漂移,有许多传统常用的补偿方法,主要是软件补偿与硬件补偿两种,硬件补偿的优点是研究起步时间早,研究手段成熟,缺点是精度很难提高。软件补偿的优点是成本较低且补偿的精度比较高,缺点是耗费的时间非常长且适用范围比较窄。本文提出一种新型的基于基底热膨胀系数与表面微结构的温度漂移补偿方法,并对柔性压力传感器进行结构设计、测试与分析,论文的主要工作如下:(1)概述了柔性电子的概念,介绍常见的单功能柔性传感器与多功能传感器。其中,以集成传感器中的压阻传感器的温度漂移为典型例子,列举了一些常见的温度漂移补偿方法的优点与缺点,并提出一种新型的温度漂移补偿方法。(2)分析石墨烯以及衍生物的负温度效应原理与温度漂移补偿原理,通过物理学理论分析可以得知还原氧化石墨烯(RGO),多壁碳纳米管(MWCNTS)的阻值与温度之间的规律性关系,及基于基底热膨胀现象对温漂进行补偿的工作原理阐述与结构设计。(3)给出基于基底热膨胀现象对温漂进行补偿的结构,进行传感器制造流程设计及制备。(4)通过对两种不同敏感材料制造的柔性压力传感器进行测试分析,验证器件输出性能与温度之间的关系,得到MWCNTS在Si2,EcoFlex,PDMS,表面微结构Eco Flex,表面微结构PDMS在20-70摄氏度温度范围下的TCR分别为-0.57%/K,-0.42%/K,-0.37%/K,-0.24%/K,-0.22%/K,当温度从20摄氏度上升到70摄氏度时,RGO在Si2,PDMS,表面微结构PDMS,Eco Flex,表面微结构Eco Flex上的TCR分别为-0.45%/K,-0.37%/K,-0.29%/K,-0.38%/K,-0.29%/K。实验结果表明MWCNTS与RGO的电阻负温度效应通过基底膨胀配合表面微结构得到了有效的补偿。
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