新型自驱动压力传感器的制备及其成像研究

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随着移动网络的蓬勃发展,各种具有传感和驱动功能的智能终端产品在物联网的帮助下,以人工智能系统为依托,实现了智能化识别和管理。压力传感器作为其中最基础也是最重要的传感设备之一,一直以来受到了国内外研究人员的高度重视。目前,对于具有高性能的柔性压力传感器阵列的研究已经取得了重大的突破。各种大规模、高分辨率、高灵敏的器件,以及可以感知多种物理刺激的多功能压力传感器不断地涌现出来以满足不同的应用需求。然而,如何让压力传感器在低功耗甚至自供能的状态下正常工作依旧是值得深思的课题。  本论文利用力致发光现象和摩擦纳米发电机两个不同的物理传导机制和新型材料,制备了各种新型自驱动压力传感器。通过设计并搭建适合阵列器件的信号处理系统,进一步研究了器件的性能和成像模式,为其日后的实际应用提供理论和实验依据。实验采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等分析手段研究了材料的晶体结构和形貌特性,并使用光学曝光、激光直写、沉积法图形转移等技术制备获得了高分辨率压力传感器器件。实验通过程序自动化控制的多通道测量系统,完成了器件对动态应力的监测、成像和优化。主要得到了以下主要结果。  1.实验利用真空固相反应制备获得六方纤锌矿结构ZnS∶Mn力致发光粉体,并通过对其制备工艺的优化和细致跟踪发现Mn的掺杂浓度对发光性能起决定性作用,且最佳掺杂浓度为1~2at%。通过分析ZnS∶Mn的能带结构,用压电光子学效应合理解释了ZnS∶Mn力致发光的物理机制。并以此为基础,制备了基于光信号传输的自驱动柔性压力传感器。器件的压力敏感性为2.2CkPa-1,对应的工作范围在0.6~50MPa,响应时间为小于8ms。而且器件具有良好的稳定性和柔韧性,在经过1万次弯折后没有受损。同时,其具有多种应力成像模式:在多点模式下,器件可以实现二维图形的应力成像;在单点模式下,器件可以实现动态应力的轨迹成像。应用在电子签名中,器件可以提供使用者书写压力、书写速度等个性化的信息,使其安全性更强。  2.基于摩擦纳米发电机原理,制备了16×16分辨率为5dpi的自驱动柔性压力传感器阵列,并搭建了适合阵列器件信号处理的多通道测量系统与成像系统。在器件实际轨迹成像过程中,接触物体的移动速度会影响单位时间内接触的有效面积,进而影响器件的输出电压。器件的压力敏感性为0.06kPa-1,可以感知在低压强范围内的触觉信息。通过器件结构的改进,本文制备了36×20分辨率为5dpi的交叉电极式传感器阵列器件,实现了将寻址进程数从原来的m×n降低为m+n,大大缩减了测试周期,更适用于超大规模的阵列器件的轨迹成像。  3.基于以上两种不同传感机制的模块,本文设计并制备了100×100分辨率为100dpi的自驱动高全尺度压力传感器阵列器件,实现了全尺度下压力的测量。实验通过对起电层PDMS的表面修饰,使器件具有可调节的压力敏感性和可调控测量范围。器件在0.6kPa到200kPa区问内的压力敏感性为6MPa-1;在650kPa到30MPa区间内的压力灵敏度0.037MPa-1。而且器件具有电学和光学两种信号,可以同时实现数字成像模拟和可视化观察。
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