纳米ZnO制备及其触觉传感器研究

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触觉传感器是一种可以模拟人类触觉器官感知外界刺激的重要器件,在人工智能系统和人体生理健康监测等领域具有广泛的应用前景。其中压电式触觉传感器因其动态感知能力、自供电能力和低功耗等特性脱颖而出,因此,研发具有高灵敏度、高柔韧性、低成本且高稳定性的压电式触觉传感器具有重要意义。本文以纳米氧化锌(ZnO)为压电敏感材料,制备出具有优异传感性能的柔性触觉传感器,对纳米ZnO生长工艺、传感器制备工艺及传感特性表征等方面开展深入研究。论文主要研究工作和结果如下:(1)分别采用高温气相氧化法和水热反应法制备纳米ZnO,实验结果表明,两种方法制备的纳米ZnO分布均匀,形貌分别为四角针状和棒状,四角针状ZnO(T-ZnO)晶须长径比随着烧结温度的升高而增长,最大可达19.6;ZnO纳米棒随着水热时间的增加,微晶尺寸从37 nm变化到78 nm,最大长径比为22.3。(2)采用T-ZnO与聚二甲基硅氧烷(PDMS)共混法成功制备出压电触觉传感器,测试结果表明,外部压力在0-14 N范围内,触觉传感器的输出电压幅值随着压力变大而逐渐变大,并且有良好的线性关系,晶须长径比较大的传感器输出信号和灵敏度较大,最大灵敏度可达63.2 m V/N,非常适合应用于应力范围相对较大的柔性可穿戴电子设备。(3)基于ZnO纳米棒制备出三明治结构的触觉传感器,测试结果表明,外部压力在0-1 N范围内,压电输出幅值随压力的增大而增大,并且有良好的线性度。ZnO纳米棒长径比越大,压电输出信号越大,灵敏度越高。水热温度为100℃,水热时间为4 h的触觉传感器有最大灵敏度545.1 m V/N。用步进机对触觉传感器反复敲打3000次,输出波形幅值保持不变,表明所制备触觉传感器具有良好的稳定性和可靠性。探究了PDMS保护层、退火处理以及电极等对触觉传感器的影响,并通过工艺优化制备出灵敏度高达974 m V/N的触觉传感器。(4)将基于ZnO纳米棒所制备的触觉传感器分别固定在颈动脉、喉咙及手指关节处进行识别人体生命体征和人体姿态,该触觉传感器展现出良好的监测能力,在颈动脉微小压力下也能输出清晰的波形。使用步进机反复敲打触觉传感器,并将触觉传感器压电输出通过整流电容器储存,给电容充电后至少可以点亮50个LED灯。该触觉传感器制备工艺简单、输出信号强、灵敏度高并且有自供电能力,在人工智能系统和人体生理健康监测系统中展现出极佳的应用潜力。
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