【摘 要】
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目前传统单一功能的传感器已逐渐无法满足实际需求,从而促进了传感器的集成化与多功能化发展趋势。尽管多功能传感器研究已经取得了长足的进步,但仍存在着传感单元性能耦合、制造工艺复杂与成本居高不下等问题。相较于传统制造技术,直接墨水书写（direct-ink-writing,DIW）3D打印技术具有生产工序简洁、产品制造周期短、原材料利用率高、可个性化制造等优点,可实现精准定位打印。本文基于直书写3D打印
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目前传统单一功能的传感器已逐渐无法满足实际需求,从而促进了传感器的集成化与多功能化发展趋势。尽管多功能传感器研究已经取得了长足的进步,但仍存在着传感单元性能耦合、制造工艺复杂与成本居高不下等问题。相较于传统制造技术,直接墨水书写（direct-ink-writing,DIW）3D打印技术具有生产工序简洁、产品制造周期短、原材料利用率高、可个性化制造等优点,可实现精准定位打印。本文基于直书写3D打印技术,以多功能石墨烯、氧化石墨烯为敏感材料,分别定量研究了单一传感单元在应变、温度与湿度负载下的电学响应,并利用多层结构与屏蔽设计对不同信号进行了解耦,实现了单一传感器的多功能集成化设计。更进一步,通过引入绝缘层设计了交叉电路,发展了结构紧凑、可根据检测需求灵活扩展的阵列设计。最后打印了可同时感知温度、湿度和应变的多功能传感器阵列。本文主要研究工作如下:（1）利用石墨烯分散液、羧甲基纤维素（CMC）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）配制的两种混合墨水（石墨烯/CMC和石墨烯/CMC/PVP）打印了柔性电阻式温度传感器。研究了墨水种类与质量比例、基底和敏感单元尺寸对传感器温敏响应的影响。温度传感器的标定结果呈现出良好的稳定性与重复性,其电阻变化率随温度增加而近似线性下降,且灵敏系数高达2.63%/℃。（2）以石墨烯分散液、羧甲基纤维素（CMC）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）按一定质量比例配制混合墨水,同时以（1）中两种特定质量比例的墨水为对照组,共同打印电阻式石墨烯应变传感器。三者打印的传感器拉伸测试结果显示,（1）中两种墨水打印的传感器对应变响应弱,而由石墨烯/CMC/PDMS墨水打印的传感器应变响应强。对石墨烯/CMC/PDMS墨水打印的应变传感器进行性能标定,结果显示,其电阻变化率随应变的增加而增加,电阻变化率-应变曲线呈现出三个响应阶段,并出现分段线性特征,对应的敏感系数GF分别为6.42、36.02和120.16。（3）以氧化石墨烯（GO）为湿敏材料,采用叉指电极结构,构建电容式湿度传感器。研究叉指电极间隙对传感器湿敏响应的影响时发现,在相同的相对湿度（RH）下,叉指间隙越小,传感器电容变化率越大,传感器对湿度的响应越灵敏。湿敏测试中,叉指间隙为0.25 mm的湿度传感器展现出优异的稳定性和快速响应/恢复能力,且在高湿区间拥有高灵敏度,灵敏系数高达40.79 p F/%RH。（4）在对石墨烯基温度、应变以及湿度传感器制备与性能研究的基础上,进行传感单元解耦研究与多功能集成,并将单个多功能传感器进行阵列化设计。最后,采用逐层打印的方式在聚氨酯（PU）薄膜上制备柔性石墨烯多功能传感器阵列。对多功能传感器阵列分别进行温度、应变与湿度测试,结果显示,阵列中的传感单元均实现准确响应且互不干扰。随后进一步将阵列应用于腕关节弯曲测试、吹气测试与电吹风测试中以检测阵列的实用性。应用测试结果表明,所有的传感单元同时工作,可以准确检测并输出独立的响应信号。综上所述,本文基于直书写3D打印技术、利用石墨烯材料开发的多功能传感器阵列具有较高的灵敏系数、较弱的响应耦合和较宽的测量范围,呈现可扩展特点,充分地发挥了直书写打印的技术优势。本文的解耦设计与阵列集成对直书写打印下的多功能传感器类似研究具有借鉴意义。此外,可通过降低成本与精进工艺推动传感器阵列的优化,进一步开发具有低能耗、自修复与可降解能力的传感器阵列。
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