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柔性压力传感器具有良好的柔韧性、可延展性、贴附性好、便于携带和可穿戴等优势,在电子皮肤、人体健康监测、软体机器人、人机交互接口器件等方面具有良好的应用前景,因而成为近年的研究热点。尤其是压阻式传感器,因其信号导出机制简单、制作工艺相对简便,近年来备受研究者关注。但普通压阻式传感器的灵敏度往往无法满足微弱信号的测量需求,近年来研究人员通过在传感器中引入微结构极大地提高了传感器的性能。不过大多数基于微结构的压力传感器的制备往往需要昂贵的设备、较长的加工周期以及复杂的制作工艺,这大大限制了柔性压阻式传感器的规模化生产和广泛应用。
针对上述问题,本论文提出了两种简单、低成本集成微结构的柔性压力传感器的制作方法,并在柔性压力传感器集成微结构的制备、导电层制作、性能测试评估以及实际应用等方面进行了系统的研究,主要的工作包括以下两个部分:
(1)提出了一种基于碳纳米管覆盖的磁弹性微柱阵列柔性压力传感器的简便制作工艺。该方法利用磁控自组装技术结合简易的磁性聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合液喷涂法快速制备出高长径比的磁弹性微柱阵列,然后通过滴定法沉积碳纳米管至微柱结构表面形成导电层,最后通过PDMS封装完成柔性压力传感器的制作。整个制作过程无需昂贵的设备、苛刻的工艺条件,且其高长径比弹性微结构大大增加了对压力作用的响应范围,有利于单个传感器实现更广泛的应用。为了优化传感器制作工艺,论文系统研究了不同加工参数对微结构几何尺度及压力传感器性能的影响。结果表明,经优化工艺制备的压力传感器的灵敏度约为~0.497±0.005kPa?1,且具有较宽的压力响应范围(10Pa~80kPa),响应时间<0.2s,具有良好的稳定性(>2000次循环)。该传感器的制备工艺具有低成本、高效率、可扩展生产的优势,所制备的压力传感器可以检测各种不同形式作用力,包括压力、弯曲力、扭曲力,同时可用于监测人体脉搏、躯体运动、以及发声的嗓音振动信号,展示出良好的应用前景。
(2)提出了一种基于银纳米膜覆盖的多级微结构柔性压力传感器的简单制备工艺。该方法首先利用微通孔阵列模具结合PDMS倒模工艺以及拉伸PDMS经等离子体表面处理工艺制备得到表面集成微丘/微褶皱多级微结构的柔性基底;然后利用空气/水相界面相变溶菌酶纳米膜结合银镜反应制备得到银纳米膜,并将其转移至上述多级微结构柔性基底表面作为导电层,最后利用未固化的PDMS封装传感器。论文系统调研了薄膜拉伸结合等离子体表面处理过程参数对微结构及传感器性能的影响。表征结果显示,经工艺优化后多级微结构柔性压力传感器的灵敏度约为~1.291±0.001kPa?1,响应和恢复时间分别为70ms和160ms,压力测量范围为10Pa~40kPa,且具有良好的稳定性。相比前一款单级微结构压力传感器,该多级微结构压力传感器具有更高的灵敏度和响应速率,且基于相变溶菌酶纳米膜制备的银导电层牢固地粘附在PDMS薄膜表面,可以增强导电层的稳定性,有利于提升传感器的耐用度。初步应用显示该传感器可以测量微弱压力(水滴)以及气体流动和人体呼吸引起的非接触式压力信号。
针对上述问题,本论文提出了两种简单、低成本集成微结构的柔性压力传感器的制作方法,并在柔性压力传感器集成微结构的制备、导电层制作、性能测试评估以及实际应用等方面进行了系统的研究,主要的工作包括以下两个部分:
(1)提出了一种基于碳纳米管覆盖的磁弹性微柱阵列柔性压力传感器的简便制作工艺。该方法利用磁控自组装技术结合简易的磁性聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合液喷涂法快速制备出高长径比的磁弹性微柱阵列,然后通过滴定法沉积碳纳米管至微柱结构表面形成导电层,最后通过PDMS封装完成柔性压力传感器的制作。整个制作过程无需昂贵的设备、苛刻的工艺条件,且其高长径比弹性微结构大大增加了对压力作用的响应范围,有利于单个传感器实现更广泛的应用。为了优化传感器制作工艺,论文系统研究了不同加工参数对微结构几何尺度及压力传感器性能的影响。结果表明,经优化工艺制备的压力传感器的灵敏度约为~0.497±0.005kPa?1,且具有较宽的压力响应范围(10Pa~80kPa),响应时间<0.2s,具有良好的稳定性(>2000次循环)。该传感器的制备工艺具有低成本、高效率、可扩展生产的优势,所制备的压力传感器可以检测各种不同形式作用力,包括压力、弯曲力、扭曲力,同时可用于监测人体脉搏、躯体运动、以及发声的嗓音振动信号,展示出良好的应用前景。
(2)提出了一种基于银纳米膜覆盖的多级微结构柔性压力传感器的简单制备工艺。该方法首先利用微通孔阵列模具结合PDMS倒模工艺以及拉伸PDMS经等离子体表面处理工艺制备得到表面集成微丘/微褶皱多级微结构的柔性基底;然后利用空气/水相界面相变溶菌酶纳米膜结合银镜反应制备得到银纳米膜,并将其转移至上述多级微结构柔性基底表面作为导电层,最后利用未固化的PDMS封装传感器。论文系统调研了薄膜拉伸结合等离子体表面处理过程参数对微结构及传感器性能的影响。表征结果显示,经工艺优化后多级微结构柔性压力传感器的灵敏度约为~1.291±0.001kPa?1,响应和恢复时间分别为70ms和160ms,压力测量范围为10Pa~40kPa,且具有良好的稳定性。相比前一款单级微结构压力传感器,该多级微结构压力传感器具有更高的灵敏度和响应速率,且基于相变溶菌酶纳米膜制备的银导电层牢固地粘附在PDMS薄膜表面,可以增强导电层的稳定性,有利于提升传感器的耐用度。初步应用显示该传感器可以测量微弱压力(水滴)以及气体流动和人体呼吸引起的非接触式压力信号。