基于碳纳米管/PDMS复合材料力敏特性的柔性阵列传感器研究

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柔性传感器作为柔性电子的基础核心元件,在医学检测、运动健康等领域有着广泛的应用。以碳纳米管(CNTs,Carbon Nano-Tubes)/硅橡胶复合材料作为柔性压力传感器的敏感材料是一个新型的研究方向。本文针对柔性压力传感器存在的结构复杂、制备工艺繁琐、不易大面积制备等问题,设计制备了一种柔性压力传感器阵列,并在敏感材料的制备工艺、电学与压阻特性、传感器的信号采集系统等方面展开了研究。以CNTs作为导电填料,聚二甲基硅氧烷(PDMS,Polydimethylsiloxane)作为基体,采用溶液法制备具有压阻效应的CNTs/PDMS导电复合材料。结合实验,研究了CNTs/氯仿浓度、超声功率、超声时长、分散过程中的温度等制备工艺参数对复合材料导电性的影响规律,获得了具备高柔性、高导电性的CNTs/PDMS复合材料的最佳制备工艺。应用宏观导电通路理论和微观隧道效应理论,分析了复合材料内部的传导机制。深入研究了CNTs浓度对CNTs/PDMS复合材料电学特性与力敏特性的影响规律,得到CNTs在PDMS中的渗滤阈值为4wt%,渗滤区域为4wt%-8wt%。选取渗滤区域范围内不同CNTs浓度的复合材料并测试其压阻性能,复合材料在一定的压力范围内表现出明显的正压阻效应,其中6wt%CNTs浓度的复合材料最适合作为传感器的敏感材料。根据体电阻效应与界面压阻效应,以FPCB(Flexible Printed Circuit Board)工艺加工的柔性聚酰亚胺基板为衬底,设计制备了一种基于CNTs/PDMS复合材料压阻效应的4×4柔性阵列压力传感器,该柔性阵列传感器的尺寸为42×42mm~2,厚度约为1mm。开发了设计方案与制备工艺流程。用零电势法设计了阵列电阻信号扫描电路,通过分析电路参数对扫描电路的误差的影响,搭建了包括硬件电路、Lab VIEW测控开发软件开发的上位机软件的传感器测试系统,实现了信号读取和显示。利用该系统对传感器阵列的静态特性进行了测试。应用实例表明,该柔性阵列压力传感器及信号处理系统可以实现压力分布与大小的实时监测。本文所制备的敏感材料以及传感器结构可为柔性阵列压力传感器设计与制备提供参考。
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