【摘 要】
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随着物联网的快速发展,需要各种传感器在不同场景下进行信号检测和数据收集,其中压力传感器在可穿戴电子、健康监测等应用中发挥着越来越重要的作用。传统压力传感器的续航依赖频繁充电或者更换电池,对一些户外场景或特殊环境下的使用造成了挑战。基于接触起电和静电感应的耦合效应,摩擦电式自驱动压力传感器通过将机械刺激转换为电信号输出,实现了无需外部电源的自供电传感。为了提升摩擦电压力传感器的灵敏度和动态探测范围等
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随着物联网的快速发展,需要各种传感器在不同场景下进行信号检测和数据收集,其中压力传感器在可穿戴电子、健康监测等应用中发挥着越来越重要的作用。传统压力传感器的续航依赖频繁充电或者更换电池,对一些户外场景或特殊环境下的使用造成了挑战。基于接触起电和静电感应的耦合效应,摩擦电式自驱动压力传感器通过将机械刺激转换为电信号输出,实现了无需外部电源的自供电传感。为了提升摩擦电压力传感器的灵敏度和动态探测范围等关键性能,研究人员对其表面微结构和器件结构进行了优化。但现有的微观结构制造方法存在工序繁多、耗时久、成本高的问题,在受压过程中易到达变形极限,导致其高灵敏度与宽压力探测范围难以兼得。在众多设计制备方法中,巧妙利用磁场实现磁性物质响应外界刺激进行传感,为制备磁性摩擦层同时借助磁场调控自驱动传感性能提供了新思路。因此,在磁场调控的基础上,开发工序快速简单、微结构灵活可调的表面微工程方法,解析表面微结构的尺寸效应对传感器灵敏度的调控机制是本论文的第一研究要点;设计新型器件结构,调控动态探测范围,提升基于磁场调控的自驱动摩擦电压力传感器的综合性能,拓展其实际应用场景是本论文的第二研究要点。基于以上研究要点,本论文从摩擦纳米发电效应的自驱动压力传感机制研究出发,开发了磁场调控磁性摩擦层微纳结构的新方法,研究了几何微结构与传感性能的构效关系,构建了基于磁流体的自驱动压力传感器和仿生纤毛柔性摩擦电压力传感器。主要研究结果如下:（1）以兼具磁性和流动性的磁流体为摩擦层材料,构建了基于固液界面的单电极工作模式的自驱动摩擦电压力传感器（FTTS）,通过外置磁铁能够快速简单地形成尖峰状的表面微结构,通过调控磁场能够高效地实现微结构形貌的动态调控。以磁铁距磁流体摩擦层的距离D和磁铁旋转角度α为研究对象,研究了不同器件结构对传感性能的影响规律。发现在D=12 mm时,尖峰状的表面微结构高度超过1 mm,传感器在小压力区（0-2.5 kPa）灵敏度高达21.48 kPa-1,在大压力区（2.5-35 kPa）灵敏度为1.14 kPa-1,其超高灵敏度可归因于超高的微尖结构、磁流体的低杨氏模量以及有效的固液界面接触起电。最后将传感器单元制备成3×3的阵列作为一种新型触觉密码锁,对输入密码组合时特定数字的压力大小提出了不同的个性化要求,实现了解锁时按压位置和施力大小的双重保护,展现了其未来在智能家居、智能安防和物联网领域的应用前景。（2）为避免在器件结构中存在刚性磁铁,同时保留快速而简单的表面高微结构开发工艺,扩展高灵敏度压力传感器的应用场景,后续在硅橡胶中掺杂磁粉作为摩擦层材料,以液态金属Galinstan作为可拉伸电极,构建了基于磁场的柔性仿生纤毛状摩擦电式自驱动压力传感器（TECS）,能够进行拉伸、扭曲、折叠等变形。通过调节硅橡胶与磁粉的质量比例,改变了摩擦层的磁性大小,从而在相同的磁场下便捷地响应出了不同的微纤毛结构。研究了 1:0.5、1:1、1:1.5三种质量比的器件传感性能,发现在比例为1:1.5时表面微纤毛的高度超过了 1.5 mm,此时TECS获得了低压区（0-5kPa）的超高灵敏度达到71.47kPa-1,高压区（5-160kPa）灵敏度达到3.38kPa-1,响应时间和弛豫时间分别快至20ms和90ms,压力探测范围宽至160kPa,实现了对各种微小物体及其变化的探测,包括水滴和空气气流等。最后,利用TECS摩擦层的特有磁性,实现了上方附带有磁铁的目标物体的运动轨迹探测。
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