基于微阵列电极和复合材料介电层的柔性压力传感器的制备及应用

来源 :深圳大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:wcf2009
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柔性压力传感器在可穿戴电子、医疗保健和智能终端等领域已经有了广泛的应用,在人工智能(AI)和物联网(IoT)等新技术领域发展也十分迅速。因此,正如最近的研究所揭示的那样,柔性压力传感器作为各种电子设备中的重要传感元件,受到越来越多的关注。为了使上述技术在人类生活中发挥更好的作用,对成本低和性能优异的柔性压力传感器有着迫切的需求。研究人员从以下几个方面开展了许多关于提高电容型压力传感器灵敏度的开创性工作,主要包括电极和介电层的结构优化,原因是在相同的压力条件下微阵列结构电极和介电层的变形更加明显,这些举措都有利于提高传感器的灵敏度。但是传统的制备微结构的方法,包含化学刻蚀、光刻等,工艺复杂,成本也较高,不利于规模化生产。本文提出了一种简单的工艺流程来进行微阵列结构模板的制备,然后通过转印的方法得到具有微阵列结构的柔性电极。以此柔性微阵列结构作为传感器的响应敏感层,分别制备了一种电阻和一种电容型柔性压力传感器,并通过调节电容型柔性压力传感器介电层的介电常数来调控传感器的灵敏度。此外,我们还通过有限元分析模拟了微结构的形变过程。本文的主要研究内容如下:(1)基于微阵列电极的电阻型柔性压力传感器的制备及表征。本实验中,首先通过抽滤法制备了附着有银纳米线(AgNWs)的PDMS平板电极,通过控制添加到抽滤装置中AgNWs的含量,来调节平板电极的导电性能;随后,采用等离子刻蚀工艺来制备微阵列结构电极,对被拉伸的PDMS基底在低压下进行等离子刻蚀处理,当拉伸的PDMS基底恢复到初始长度时,表面就会形成微阵列结构,以此为模板,先旋涂AgNWs作为导电层,再将液态PDMS滴涂到该模板上,转印得到嵌有AgNWs的柔性微阵列PDMS电极。最后,将PDMS平板电极叠加到微阵列柔性PDMS电极上,进而得到电阻型柔性压力传感器。通过考察传感器的性能,发现该电阻型柔性压力传感器在低压下的灵敏度高达2.1 kPa-1,响应时间小于100 ms。此外,还探究了AgNWs尺寸对微阵列柔性PDMS电极的影响。(2)基于复合材料介电层的柔性压力传感器的制备及应用。该柔性电容型压力传感器的微阵列结构仍然采用前述的方法得到。不同的是,本实验中电极的导电层是通过磁控溅射方法得到的均匀金层,介电层的基底采用的是聚偏氟乙烯(PVDF),钛酸钡(BT)纳米颗粒作为高介电常数的填料被添加到PVDF中来调节介电层的介电常数,达到调节传感器性能的目的。介电层通过旋涂法制备到平板电极上,随后叠加到微阵列结构电极上,制得电容型柔性压力传感器。随后,我们对传感器的综合性能及应用进行了全面的测试,结果表明我们制备的柔性压力传感器具有优异的性能,低压下(0-2500 Pa)灵敏度最高可达4.09 kPa-1,同时还具有低检出限(<1.5 Pa),快速响应时间(<50 ms),高加压循环稳定性(>5000 times)以及高弯曲稳定性(>1000 times)。此外,该柔性压力传感器还能用于监测水滴运动以及人体行为动作。最后,通过有限元分析模拟微结构形变过程,探究微结构提高传感器性能的机理。
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