基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究

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随着现代物联网和人工智能产业的迅速蓬勃发展,电容式柔性压力传感器不仅在可穿戴式交互电子设备中的应用随处可见,而且在电子皮肤、柔性屏幕、医疗检测、智能纺织、航空航天等诸多应用中有着广泛前景。作为传感器最重要的性能指标,灵敏度一直都是国内外的研究热点所在。在本文的工作中,选用PDMS作为复合介电层的基础材料,通过介电层掺杂和造孔来提升传感器的灵敏度,最终取得了灵敏度高、线性响应范围宽、迟滞误差小、循环稳定性高、工作温度范围广、响应时间短等优异综合传感特性。1、压力传感器根据工作特性可以分为电容式、压电式、压阻式;根据检测范围可以分为超低压、微小低力、中压和高压传感器;按照触控模式可分为普通、触控式和多点触控压力传感器。电容式柔性压力传感器的研究现状主要围绕灵敏度的提升来进行,常用方法包括介电层掺杂提升介电常数、介质层引入孔隙结构、制造表面微结构等。此外,本章还对性能优良的工程电活性电介质PDMS和电容式柔性压力传感器灵敏度提升的理论作出了详细介绍。2、通过综合对比,选取ITO-PET作为电极,基于渗流理论选用多壁纳米管(MWCNTs)对PDMS进行掺杂来提升灵敏度。通过优化掺杂浓度,使MWCNTs-PDMS电容式柔性压力传感器最优灵敏度在低压范围内达到了1.512 k Pa-1,大约是PDMS压力传感器灵敏度的3倍,同时传感器拥有工作温度范围宽(-18℃到100℃)、响应时间快(65 ms)、循环稳定性高以及迟滞误差小等优异的传感特性。此外,本章针对传感器的制作过程和测试方法都做出了详细的说明,并对较高压力下传感器的漏电情况作出了讨论。3、通过在介电层内造孔使传感器在受到压力时更易压缩可以提升灵敏度。本章采用二亚硝基五亚甲基四胺(DPT)的作为造孔试剂,经过反复的实验探索,确定了成熟稳定的PDMS新型造孔方案,并且研究了气孔的数量和直径。DPT造孔PDMS作为介电层使传感器的灵敏度显著提升,在低压范围内达到了1.06 k Pa-1,相对于没有造孔的PDMS传感器提升了近1倍,并且线性响应范围高达60 k Pa以上,同时还增加了500g、100g、20g的砝码传感应用测试。此外,本章尝试了CH3CH2O2造孔PDMS,为CH3CH2OH作用于PDMS提供了一定的参考价值。4、通过DPT对基于PDMS的电容式柔性压力传感器中间介电层进行造孔虽然取得了宽广的线性响应范围,但灵敏度提升幅度有限。本章通过结合DPT造孔和MWCNTs掺杂来研究传感器灵敏度的改善情况和其他传感特性。测试结果表明:灵敏度在0.16-8k Pa压强范围内相较于MWCNTs-PDMS压力传感器灵敏度提升2.8倍,在8-60 k Pa的高压范围内相较于DPT-PDMS压力传感器灵敏度提升大约2倍,并且取得了线性响应范围广(0-80 k Pa)、响应时间快(65 ms)、循环稳定特性优异、工作温度范围宽、迟滞误差小等优良的综合传感特性。此外,本章还增加了传感器手拿烧杯的实际应用场景测试。5、总结了本文的研究成果,并讨论了研究工作的不足和展望。
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