基于微结构的印刷柔性压力传感器研究

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新型柔性压力传感器因具备灵敏度高、灵活性强、可穿戴等特点而广泛应用于各种柔性电子器件中,扩大了传感器的应用领域,开拓了新兴市场。通过在柔性压力传感器的不同部位构筑微纳结构优化其综合性能已成为当前国内外研究者最关注的热点之一。本论文旨在系统研究柔性压力传感器微观结构与其性能的关系,建立其构效关系理论模型;探讨基于印刷技术的传感薄膜制备工艺,实现对压力分布的测试,实现由“点”到“面”、“局部”到“整体”的压力传感测试目标。本文采用具有微纳结构的硅片为模版,复制转移得到具有不同微纳结构的传感器及介电层材料,并封装制得基于平行板电容原理的柔性压力传感器。通过理论计算(有限元多物理场模拟仿真)结合实验分析的方法,研究了介电层中微纳结构单元的形状、边长、中心距厚度等几何变量以及材料的弹性模量、介电常数等物理特性对传感器性能的影响;并从单个传感器延伸到阵列式传感薄膜的制备及性能分析,实现了基于丝网印刷电极的传感薄膜制备,设计、开发了传感薄膜测试平台与相应软件,拓展了传感器的应用领域。本文研究结果发现:(1)随着介电层微结构单元的中心距增大、厚度减小,传感器灵敏度提高;微结构单元边长增大,灵敏度先升高后降低。(2)当介电层微结构弹性模量为2.03MPa时,传感器灵敏度为1.944kPa-1,响应时间小于150ms,滞后电容约0.138pF(为电容总变化的6.9%),上述性能均达到本领域国际领先水平。(3)利用丝网印刷制备压力传感薄膜阵列电极,提高了阵列式传感器的制备效率;自行搭建的阵列传感薄膜测试系统能够准确的实现压力分布的测试与分析。最后,本文将研发的柔性压力传感器应用于微小压力检测,实现了对于气流流动、人体关节以及二维力分布的测量。利用ITO作为透明电极,在保持器件传感特性的基础上探讨了传感器的透明化,制备的介电层透光率约85%,器件综合透光率约65%,有望用于柔性电容触控屏及光敏性电子皮肤领域。
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