【摘 要】
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仿生技术、显示技术和物联网产业等的快速发展,推动了人们对高性能、先进电子皮肤传感器的需求。电容型压力传感器由于具有响应速度快、稳定性好、非接触式感应等类皮肤行为,成为国内外研究的热点。但是传统的平面结构的介电层具有很大的粘弹性,迟滞严重,影响了器件性能。为了解决这一问题,研究人员对器件的设计策略进行了大量的探索。目前提高电容型压力传感器性能的策略类型主要分为三种:一是选择模量较低、介电性能好的材料
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仿生技术、显示技术和物联网产业等的快速发展,推动了人们对高性能、先进电子皮肤传感器的需求。电容型压力传感器由于具有响应速度快、稳定性好、非接触式感应等类皮肤行为,成为国内外研究的热点。但是传统的平面结构的介电层具有很大的粘弹性,迟滞严重,影响了器件性能。为了解决这一问题,研究人员对器件的设计策略进行了大量的探索。目前提高电容型压力传感器性能的策略类型主要分为三种:一是选择模量较低、介电性能好的材料作介电层;二是对介电层或电极进行图案化设计;三是在介电材料中掺杂少量的导电材料。由于光刻、静电纺丝等图案化技术操作复杂且成本较高,为了寻找经济高效、便捷环保的制备方法,传感器的制备工艺仍然有很大的探索空间。本论文通过简便、低成本的方法,制备了一种用聚二甲基硅氧烷微珠修饰介电层结构的电容型压力传感器,对其力敏性能进行了系统性测试,并验证了其作为可穿戴设备的检测功能。论文的主要工作如下:(1)通过在十二烷基硫酸钠溶液中分散固化聚二甲基硅氧烷液滴,获得聚二甲基硅氧烷微珠,再通过旋涂和刮涂工艺制备出一种介电层中含有聚二甲基硅氧烷微珠的电容型压力传感器。通过表征和力学仿真分析微珠结构提高传感器性能的机理。力敏特性测试结果表明微珠结构有效提升了器件的灵敏度(1-10 k Pa之间为0.0479 k Pa-1,是平面结构器件的6倍),同时该传感器还表现出较大的压强检测范围(1-100 k Pa),较低的实测最小压强值(0.2 k Pa),较快的响应/恢复速度(120 ms和110 ms)和良好的稳定性(在20 k Pa下1000次负载循环中,响应和基线未发生明显变化)。完成了所制备器件在人体上肢(包括手指、手腕和肘部)关节运动检测、呼吸频次检测、手势识别的功能验证。(2)在Ecoflex中掺入不同浓度的银纳米线作为传感器介电材料,研究掺杂工艺对电容型压力传感器性能的影响。利用表征和理论公式分析掺杂对传感器灵敏度的增敏机理。对比不同掺杂浓度器件的力敏特性,结果表明传感器的灵敏度随着掺杂浓度的增加而先增大后减小。当银纳米线的掺杂浓度为0.06wt%时,传感器达到最大灵敏度(1-10 k Pa之间为0.0968 k Pa-1,是未掺杂器件的2倍)。接着,将传感器安装在鞋垫上,用于“跖痛症”的预防与矫正。最后,通过传感器阵列的设计与制备,实现了简单物体的形状检测。
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