基于多孔状介质层的电容式柔性压力传感器制备及性能研究

来源 :重庆理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:heeraigyf
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近年来,柔性传感器因兼具优异的力学性能和良好的灵敏性,广泛应用于医学诊断、电子皮肤、人工智能等重要领域。在各种传感机制的柔性压力传感器中(目前柔性压力传感器主要种类有电阻式压力传感器,电容式压力传感器,压电式压力传感器),电容式压力传感器因其结构简单、制备成本低等特点成为研究的热点之一。本论文选用电容式柔性压力传感器为研究对象,围绕提升电容式柔性传感器的灵敏度为目标,开展不同薄膜型,海绵型传感器介质层的组分设计,结构构筑以及制备工艺研究。具体研究内容如下:1)开展钛酸钡/多壁碳纳米管/聚二甲基硅烷(BaTiO3/MwCNTs/PDMS)薄膜型电容式柔性压力传感器的制备及其性能研究。结果表明,通过添加具有水溶性的氯化钠(NaCl)颗粒作为造孔剂,制备多孔结构的BaTiO3/MwCNTs/PDMS薄膜,随着BaTiO3填充量增大可明显提高薄膜的介电常数,进而显著优化传感器的灵敏度。其中当BaTiO3添加量为20wt%时,该多孔BaTiO3/MwCNTs/PDMS薄膜柔性压力传感器在低压范围内(0~1 kPa)的灵敏度内达到1.24 kPa-1,最低响应限度为7 Pa。同时,该传感器具有300 ms的快响应时间和5000次以上的循环稳定性。2)开展单向冷冻法制备多壁碳纳米管/羧甲基纤维素/聚二甲基硅烷(MwCNTs/CMC/PDMS)海绵型传感器及其性能研究。为了进一步提高电容传感器的灵敏度,利用单向冷冻冰模板法,将MwCNTs/CMC制备成具有层状通孔结构的海绵骨架,并在骨架中浸渍PDMS,形成MwCNTs/CMC/PDMS海绵层作为传感器介质层。研究在CMC浓度恒定下(5 mg/ml)不同MwCNTs含量对传感器灵敏度的影响,结果表明,浓度为3mg/mL MwCNTs制备的MwCNTs/CMC/PDMS海绵介质层组装成的传感器,在低压范围(0~1 kPa)内的为灵敏度2.14 kPa-1,检测最低限度为3 Pa,同时,该传感器具有250 ms的响应时间和超过5000次循环运行稳定性。3)开展多向冷冻法制备MwCNTs/CMC/PDMS海绵型传感器及其性能研究。为进一步提高传感器的压力适用范围。利用多向冷冻冰模板法将MwCNTs/CMC制备成具有高度交联网络结构的海绵骨架,并在骨架中浸渍PDMS,形成MwCNTs/CMC/PDMS海绵层作为传感器介质层。结果表明,多向冷冻冰模板法较单向冷冻冰模板法制备的传感器检测范围从0~8 kPa提高到0~50 kPa,且大压力范围(25~50 kPa)下灵敏度仍能达到0.04 kPa-1。其在低压范围(0~1 kPa)内灵敏度高达1.94 kPa-1,检测最低限度为3 Pa,响应时间为300 ms,循环稳定运行可达5000次。上述三种柔性电容式压力传感器经人体适用性测试结果表明,薄膜型与海绵型电容式传感器都能够快速捕捉人体的反应,在可穿戴电子产品中皆具有良好的应用前景。
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