应用于柔性电子皮肤的压力传感器研究

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模仿人类感觉系统的电子皮肤的研究近来引起了广泛关注,在人工智能,医疗保健监测,人工假体和人机交互电子学的应用方面也具有巨大潜力。本文基于压力传感器,选择具有高电导率、稳定的机械性质、较大的比表面积和可弯曲性的碳纳米管作为导电材料。海绵具有三维多孔结构,碳纳米管涂层海绵,制备了一种具有三维多孔结构的压力传感器器件;同时制备碳纳米管涂层海绵电极,制备了一种电容式的压力传感器。本文主要研究内容如下所示:首先,介绍了碳纳米管的主要特性,碳纳米管作为导电材料更具优势。还介绍了碳纳米管几种分散工艺,并分析了各种的特点和研究现状。通过对比实验分析,可以发现以去离子水作溶剂,表面活性剂TNWDIS作为分散剂,通过超声振荡制备多壁碳纳米管分散液分散情况比较均匀稳定。其次,基于碳纳米管涂层三维多孔海绵制备一种具有三维多孔结构的压力传感器。对制备的压力传感器进行电学测试,该压力传感器在低压下也有良好的输出,灵敏度较高(0.16508~11.20466 KPa-1),工作范围也比较宽(0~15 KPa)、还具有70 ms的快速响应时间和39 ms的快速恢复时间。压力传感器还具有良好的稳定性,在1500多个重复周期后器件电流输出信号与初始情况相差不大。此外,柔性压力传感器在微小的身体活动(语音)和人体运动(手指弯曲和膝盖运动)也有检测功能。最后,以碳纳米管涂层三维多孔海绵作为电极,PDMS作为介电层,设计了一种具有三维多孔结构电极式的电容式压力传感器。接着对制备的压力传感器进行电学测试,器件的回滞较低,仅为2.32%。此外器件具有较高的灵敏度(0.12022 KPa-1),传感器还具有78 ms的快速响应时间和62 ms的快速恢复时间。检测发现压力传感器具有较好的重复性和稳定性,在1500多个重复周期后器件电流输出信号与初始情况相差不大。
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