基于离子凝胶和多级山脊微结构的柔性压力传感器的研究

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随着科技水平的不断提高,人们对电子器件的功能需求也不断增加。柔性电子器件因其高可延展性、高可弯曲性、高表面适应性等特点,受到了研究者的广泛关注,在机器人电子皮肤、可穿戴设备、非植入式医疗监测等领域具有很大的应用前景。本论文主要围绕柔性压力传感器这一柔性电子器件展开研究,研究其结构设计、制备工艺和应用,主要包括以下三个部分:(1)基于多级山脊微结构的离子凝胶介电层的设计与制备。为解决传统独立结构修饰的介电层面积利用率较低的问题,本论文创新性的利用离子凝胶设计了一种多级山脊微结构,相当于将独立的金字塔结构连接起来,能够大大提高介电层利用率,从而提高传感器的性能。同时利用COMSOL仿真软件对该结构进行了力学分析,分析了离子凝胶形成双电层电容(EDL)的过程,证明了该结构有利于传感器性能的提高。本论文采用湿法刻蚀方式制作硅片模板,然后用离子凝胶浇铸形成该多级山脊微结构,该工艺方式过程简单、成本低,有利于大规模制造。通过离子凝胶介电层的扫描电子显微镜(SEM)图,本论文分析了工艺过程中的某些因素对传感器性能的影响,并分析了该结构的独特优越性,进一步论证了该结构对传感器灵敏度的提高具有积极作用。(2)基于离子凝胶介电层的传感器的电极的设计与制备。柔性传感器的电极材料须保持功能稳定,可重复弯曲,并且具备良好的生物兼容性,因此本论文设计了一种基于银纳米线(AgNWs)和透明聚酰亚胺薄膜(CPI)的柔性透明电极,能够满足柔性电子器件的要求。(3)基于离子凝胶以及多级山脊微结构的柔性电容式压力传感器的性能测试和应用研究。利用自搭建的测试平台,本论文详细研究了该传感器的性能表现,包括传感器的灵敏度、弛豫时间、最低检测限、重复性与稳定性等,通过实验证明了该传感器具有优越的性能,特别是实现了135.45 kPa-1的超高灵敏度和0.4 Pa的超低检测限。同时本论文将传感器用于人体脉搏、呼吸、手腕弯曲和微小磁控压力的检测,并设计了传感器阵列用于识别物体的图案,证明了其在电子皮肤、可穿戴设备和非植入式医疗检测等领域具有广阔的应用前景。
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