柔性压力传感器的制备及灵敏度影响因素探究

来源 :中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) | 被引量 : 3次 | 上传用户:a87700180
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随着人工智能和万物互联(IoT)的蓬勃发展,柔性压力传感器作为至关重要的传感元件之一,因其在医疗诊断、运动监测等可穿戴电子设备中的广阔应用前景而备受关注。柔性压力传感器可将施加的外力转换为可识别的电信号或其他响应性输出信号。在某种程度上,柔性传感器可以帮助无生命的物体了解人类在交互过程中的“感觉”,以及获得诸如血压和身体运动之类的生物信号。在目前的柔性压力传感器研究中,灵敏度、响应时间、检测极限(LOD)和工作稳定性被广泛用来评估柔性压力传感器的性能。根据传感机制,柔性压力传感器共有三种典型类型,包括压阻型、电容型、压电型。其中,柔性电容式和电阻式压力传感器由于具有灵敏度高,响应速度快和滞后性低等优点,得到了广泛的研究。但是,获得更高的灵敏度一直是被广泛追求的目标之一,为了提高柔性传感器的灵敏度,最简便有效的方式就是对柔性压力传感器的传感层进行微结构化处理。然而制备微结构通常采用激光刻蚀等复杂且高成本方法,极大限制了柔性压力传感器的规模化生产。在本文中我们提出简化微结构制备的工艺提高柔性压力传感器的灵敏度的方案,分别制造了一种电容式柔性压力传感器和两种电阻式柔性压力传感器,主要研究内容如下:1.基于表面微凸点阵列结构的聚二甲基硅氧烷电容型柔性压力传感器首先,通过胶体自组装的方法制备了均匀的胶体微球阵列,通过两次转印的方法制备具有表面微凸点结构阵列的聚二甲基硅氧烷柔性基底,然后溅射纳米金制备出具有表面微凸点结构阵列的柔性电极。通过旋涂的方法制备不同厚度的介电层(PVDF),然后将两个柔性电极和介电层组装成电容型柔性压力传感器。该传感器显示出30.2 kPa-1(<130Pa)的超高灵敏度,0.7 Pa的低检测限,25 ms的快速响应时间以及高达100000次循环的稳定性。有限元分析(FEA)结果表明,当在传感器上施加外部压力时,电极表面和超薄介电层上的微阵列结构的协同作用会显着增加接触面积以及降低两个电极之间的距离,从而提高传感器的灵敏度。该柔性压力传感器可成功应用于监测各种人类生物信号和机械手的动作信号,在智能医疗保健、自动语音识别(ASR)和语言识别等领域的研究具有广阔的应用前景。2.基于铜纳米线/石墨烯/三聚氰胺泡沫的电阻型柔性压力传感器首先,通过还原吸附在三聚氰胺泡沫上的氧化石墨烯和铜盐制备出吸附在三聚氰胺(MF)骨架上的铜纳米线(CuNWs)和还原氧化石墨烯(RGO)的互连导电网络,然后在导电泡沫上下两端引出电极组装成电阻型柔性压力传感器。吸附在MF骨架上的CuNWs和RGO的互连导电网络可在外部刺激下导致传感器的电阻发生明显的变化。X射线衍射分析表明,由于存在RGO,传感器中的CuNWs在空气中暴露一个月后几乎没有氧化。CuRGOMF传感器在较小和较大的压缩压力范围内均表现出较高的灵敏度,并且在5000次循环后显示出出色的循环稳定性。最后,我们成功的演示了传感器应用于手抓、单击鼠标以及拾取和放下物品的实验,证明了该传感器在人类行为监控中的应用潜力。3.基于碳纳米纤维/聚丁二烯-苯乙烯-丁二烯的电阻型柔性压力/拉伸传感器首先将导电材料碳纳米纤维和聚丁二烯-苯乙烯-丁二烯(SBS)溶液共混复合制备出导电聚合物,然后我们通过砂纸模板复制的方法制备了电阻型柔性压力传感器,该柔性压力传感器具有769.2 kPa-1的超高灵敏度,低至5 Pa的检测限以及高于1000次循环的高可靠性。此外,基于SBS出色的拉伸性能,通过化学还原在SBS表面生长纳米银层的方法制备了无微结构的导电聚合物薄膜,并用作柔性可拉伸应变传感器,其具有105.6的拉伸灵敏度,且拉伸率高达600%。这种可压缩和可伸展的传感器在可穿戴医疗监控设备,智能机器人技术和人机界面等方面具有广阔的应用空间。
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