基于微脊结构巴基凝胶柔性压力传感器的制备与性能研究

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柔性电子是一种新兴技术,已在许多领域得到发展。具有柔性压力传感器的可穿戴传感设备极大地促进了柔性电子应用领域的进步,其中电容式柔性压力传感器由于结构简单和高灵敏度而受到广泛关注。本文介绍了均匀的微脊结构和新型材料巴基凝胶对于电容式压力传感器性能的影响。主要内容和结果如下:首先,使用COMSOL Multiphysics软件的静电模块和力学模块对柔性压力传感器进行有限元仿真分析,设计并建立了平面和微脊结构介电层的柔性压力传感器,从位移-压强、von-Mises应力-应变、相对电容变化-压力关系三种不同角度分析不同微结构对传感器性能的影响,其中微脊结构的柔性压力传感器具有最高的压力敏感度和电容灵敏度;其次,通过混合强酸处理了多壁碳纳米管(MWCNTs),FTIR、XRD、TEM分析表明,酸化后的MWCNTs长径比变小,成功引入了羧基和更多的羟基官能团。将离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰)亚胺([EMIM][TFSI])、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP))和酸化后的MWCNTs配制成混合溶液,采用溶液流延法在3D打印模板上制备了具有微脊结构的巴基凝胶(MBG)。P(VDF-HFP)和酸化MWCNTs通过氢键形成物理交联的三维空间网络,[EMIM][TFSI]封装其中形成了MBG。SEM分析表明MBG具有均匀的微脊结构,FTIR、XRD分析表明MBG具有较高的β相结晶度,介电性能分析表明随着酸化MWCNTs含量的增加,MBG增大了介电常数和介电损耗;最后,MBG作为介电层由两个柔性电极夹在中间组装成三明治结构的电容式柔性压力传感器。MBG的微脊结构、双电层(EDL)和微电容使传感器具有出色的机电特性,例如70.783 k Pa-1的超高灵敏度、0.2 Pa的低检测限、毫秒级的响应时间和超过3000次循环的稳定性。优异的性能使传感器可以有效地检测各种压力,包括人的手指触摸、人机交互、关节弯曲等,也可以安装在人体或者机器上作为可穿戴电子设备。这些应用使传感器成为多功能传感平台的潜在候选者。
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