基于压电材料柔性自供电传感器的研究

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随着新兴柔性、便携式传感器的发展,柔性传感器件可以与人体结合来监测人体的运动和人体周围工作氛围来诊断人体健康状况是一种非常有效的方法,由于传统的器件柔性比较差、不方便携带等原因,制约了传感器件的应用。为了满足实际的应用需求,研究者们开始着重发展具有柔性、便携带的传感器,它们可以与人体结合来时实监测人体的健康状况和人体的工作环境氛围,增强人体触觉感。为了能更好的与人体结合,传感器件需要具有多种功能——具有良好柔性的结构并且具有可嵌入设备的电源。但是,利用简单的物理、化学反应来实现多功能柔性传感器具有很大的挑战性。本论文利用PVDF良好的压电特性,通过静电纺丝技术制备出PVDF压电薄膜,能监测人体运动、触觉感知的柔性自供电传感器。此外,由于TiO2具有高的光催化效率、成本低、环保等优点,在污水处理应用中被广泛研究,但是由于光生电子-空穴对极易发生复合,影响了光催化的效率。我们利用静电纺丝技术,把PVDF和TiO2结合在一起,成功的把压电与光催化性能耦合在一起,提高了二氧化钛的催化效率。利用在ZnO纳米线上包覆不同材料来实现对不同气体的监测,通过光刻和电子束蒸发镀膜成功制备出具有柔性自供电嗅觉传感器,实现对周围环境的实时监测。具体内容如下:(1)通过静电纺丝制备柔性的PVDF/TiO2纳米薄膜,利用极化后PVDF的良好的压电特性,使柔性自供电传感器件具有监测人体运动和人体触觉感知的功能。传感器在不同形式作用力下输出不同的压电信号,压电信号不但可以作为监测人体运动的信号输出,并且可以作为设备的驱动电源。同时,我们进行了与人体不同部位结合的演示实验,监测手指和手臂的运动。(2)利用TiO2纳米颗粒良好的光催化性能与极化后PVDF的压电性能的耦合,使柔性、自供电传感器具有良好的光催化降解有机污染物和自清洁的功能。在紫外光照和超声的条件下,器件能在40 min内催化降解100 mL的亚甲基蓝溶液,并且可以重复使用,具有良好的循环特性。器件在紫外光照的条件下,能够自清洁去除表面的有机污染物,具有自清洁的能力。(3)基于ZnO纳米复合材料良好的压电特性和气敏性能,通过光刻和电子束蒸发镀膜技术成功制作了一种柔性自供电多功能的嗅觉传感器来监测环境气氛变化,如矿山。传感器能附着在人体上,通过获得人体运动的机械能来驱动器件的工作。器件的压电输出不但可以作为监测周围气体环境的气敏信号,还可以作为驱动器件的电源。多功能器件具有四个传感单元,可以交叉监测湿度、酒精、H2S和CH4,并且就有很好的灵敏度和选择性,为柔性、自供电气体传感器在特定场合的实际应用提供了新的研究方向。
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