【摘 要】
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近年来,随着可穿戴式与皮肤贴合式电子设备的迅速发展,电子传感器作为其不可或缺的部件之一,正处于人们研究的热点方向,未来各类高性能传感器的开发将如火如荼。其中柔性压力传感器因其在人体运动检测、个人健康监测、人机交互等方面的潜在应用前景受到广泛关注。为满足上述各类应用的条件,需要采用合理的设计,从而得到高性能、低成本、穿戴舒适性好的器件。目前已有不少高性能的柔性压力传感器被研制出来:它们有的具有高灵敏
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近年来,随着可穿戴式与皮肤贴合式电子设备的迅速发展,电子传感器作为其不可或缺的部件之一,正处于人们研究的热点方向,未来各类高性能传感器的开发将如火如荼。其中柔性压力传感器因其在人体运动检测、个人健康监测、人机交互等方面的潜在应用前景受到广泛关注。为满足上述各类应用的条件,需要采用合理的设计,从而得到高性能、低成本、穿戴舒适性好的器件。目前已有不少高性能的柔性压力传感器被研制出来:它们有的具有高灵敏度,有的具有宽探测范围,有的具有超快响应时间,但是很难有一个器件同时拥有各种高性能参数。此外,通常的器件制备过程要么流程繁琐、工艺复杂,诸如超滤法、化学气相沉积法、喷涂法等;要么会使用贵金属作为导电材料,成本昂贵;要么会不可避免地产生诸如空气污染物等副产物。由此,本课题为解决上述困境,提出了两种基于碳材料的柔性压力传感器,分别从制作工艺、性能表征以及器件的相关实际应用等展开了系统研究。本论文的主要内容如下:(1)基于可拉伸材料的柔性压力传感器。首先,通过丝网印刷导电银浆的方式制成压力传感器的棉织物底电极,然后,将涂覆纳米炭黑的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)作为上桥部分,最后,完成封装。由于独特的松散多孔结构和纺织物较大的表面粗糙度和PDMS的拉伸性,压力传感器表现出优良的性能,如高灵敏度(在0-5 kPa范围31.63 kPa-1),快速响应(响应时间和弛豫时间分别为15 ms和20 ms)等。(2)基于碳材料的全织物柔性压力传感器。首先,同样制备出棉织物底电极,然后,将炭黑颗粒通过柴油燃烧产生的烟雾均匀地熏涂在无纺布表层,再滴涂聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐水溶液进行固定,最后,完成封装。到此,经过测试,可以得到同时具备高灵敏度(81.61 kPa-1,在0-10 kPa范围)和宽检测范围(0-100 kPa)以及超快响应时间(6 ms)的全织物柔性压力传感器。基于该器件的优异性能,不仅能够探测细微声音振动、微小肢体动作,还能够检测出人体脉率波形信号,实现了人体生理信号检测,因此,在健康监测领域有巨大的应用前景。
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