石墨烯复合材料柔性压力传感器的喷印制造及性能研究

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医疗健康监测、伤残护理及人机交互等应用领域的不断发展,对可穿戴设备和医疗康复机器人在人机信号准确获取提出更高的要求。柔性压力传感器成为其准确感知外界压力信号关键途径。针对中压(10-100 kPa)柔性压力传感器性能不足及柔性压力传感器制造设备昂贵,制造工艺复杂等缺陷,本文首次提出采用韦森堡直写喷印技术制造GNPs/MWCNT填充型导电复合材料柔性压力传感器,使其在干扰模态影响下高效精准感知中压压力。论文围绕基底及复合压敏材料特性,柔性压力传感器制造工艺及优化、干扰抑制解耦结构优化和应用发掘及柔性压力传感器集成等开展研究。(1)实验对比PDMS和EcoFlex两种典型基底材料不同配比在固化、透光和机械等特性,确定12:1的PDMS为基底材料;考察GNPs/MWCNT复合材料形貌结构、透光、压敏及直写喷印等特性,建立理论模型分析GNPs/MWCNT复合材料不同浓度和配比的压敏机制,确定GNPs/MWCNT填充浓度和配比分别为10 wt.%和1:1。(2)搭建韦森堡直写喷印系统,研究韦森堡直写制造柔性压力传感器敏感单元方法及优化工艺参数。分析直线型敏感单元微观结构及尺寸特征,测试其灵敏度最高达0.335 kPa-1,响应/回复时间分别达到~171 ms和~110 ms;采用触敏微阵列结构和折叠式压敏结构,最高灵敏度提升至1.41 kPa-1,响应/回复时间分别缩短到~100 ms和~50 ms。建立模型,分别阐明优化前后柔性压力传感器压敏机制。(3)考察温湿,形变干扰模态对传感器的影响程度,确定柔性压力传感器湿度干扰灵敏度系数,温敏系数及拉伸应变系数分别达~0.7,~0.17及30656;建立模型,明确干扰模态敏感机理:提出从封装、惠斯通电桥及双层矩形凸台等分别抑制湿度、温度及拉伸应变干扰模态的解耦方案,实验验证了传感器对干扰模态的抑制作用。该优化结构传感器在0-11 kPa、11-45 kPa和45-74 kPa压力范围内的灵敏度分别达~2.69 kPa-1和~14.05 kPa-1和~4.23 kPa-1。(4)确定线型及优化后柔性压力传感器最小检测限分别达~14 Pa和~3 Pa的压力,发掘柔性传感器在人体脉搏信号健康监测及细微动作变化捕捉上的应用潜力。基于PI基材及PDMS基材制备柔性压力传感器阵列,确定PI基柔性压力传感器阵列灵敏度为-0.35 MPa-1,且仅能敏感>45 kPa压力。而PDMS基材柔性压力传感器阵列灵敏度在0-25 kPa和25-75 kPa最高分别达到~5.09 MPa-1及~0.0209 KPa-1,且响应/回复时间达到~150 ms和~200 ms。同时搭建阵列信号检测扫描电路,验证传感器阵列对空间受力位置的准确分辨能力。
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