基于液态金属的柔性压力传感器的研究

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在过去的几十年里,以人类皮肤为灵感的柔性电子因其在健康监测和诊断、机器人和假肢方面的潜在应用前景而引起了广泛的研究关注。柔性压力传感器是目前柔性电子发展的重要方向,其具有机理简单、成本低、易于信号采集和转换的优点;液态金属是一种在保持高导电性的同时又能变形的材料,克服了传统固体材料所引起的皱纹和断裂失效。柔性压力传感器必须满足在变形时仍可以工作,所以基于液态金属的柔性压力传感器有很大应用前景和发展空间。柔性压力传感器的主要的性能衡量指标是灵敏度、测力范围和响应时间等,已经证明微结构是提升性能的主要手段,使用低成本高效技术制造的触觉传感器对于智能机器人技术和实时健康监控至关重要。然而,诸如光刻和表面模板法的常规方法受到效率低和重复性低的限制。因此,这项研究制备了一种高灵敏的电容式压力传感器,该传感器使用并行飞秒激光写入技术,并辅以化学蚀刻来制备微结构。与光刻相比,该技术快速高效;与表面模板法相比,其可重复性高,且可定制化结构。此外,传统的可拉伸压力传感器无法区分面外压力和面内拉伸,因为其变化机理是一样的,这就面临一个缺陷:当传感器处于拉伸状态时,其不能准确测量静态和动态压力响应,存在严重的信号干扰问题。因此,设计一种对拉伸不敏感的可拉伸压力传感器是非常有必要的,有助于拓展压力传感器的适用范围。基于此,本文利用液态金属的流动性以及多模量设计来限制传感器对拉伸的响应,制备了对拉伸不敏感的压力传感器。首先,本文基于液态金属制备了一种高性能柔性电容式压力传感器。该传感器使用并行飞秒激光写入技术,并辅助化学蚀刻在二氧化硅模具上形成微结构,将二氧化硅模具的微结构转移复写到PDMS上形成微拱型PDMS,介电层由交叉排列的两片微拱形PDMS组成,电极通过印刷液态金属制备。制备出的柔性压力传感器显示出1.2 kPa-1的灵敏度(对于<10 kPa的施加压力),该灵敏度显着高于无微结构的传感器,比无结构传感器的性能高一个数量级。此外,压力传感器的响应时间短于36 ms,在施加250 Pa的压力10000次循环后性能无明显差异。同时器件小巧轻便,高度灵敏并且易于制造,在智能电子设备和人机界面有很大的应用前景。其次,本文基于液态金属做电极制备了一种对拉伸不敏感的压力传感器。采用PDMS、炭黑,氯化钠为原材料制备多孔压力传感层,Ecoflex和液态金属用作电极拉伸层,最后封装成对拉伸不敏感的压力传感器。该器件在压缩方面,具有较高的灵敏度(2.27kPa-1)、较快的响应速度(20 ms)以及较高的循环稳定性;在拉伸方面,该器件拉伸至200%时,电阻基本保持恒定,且传感器在0%,20%,42%,79%,100%,150%拉伸状态下电阻的变化差别不大,基本重合,说明该器件有很好的拉伸稳定性。该器件可用于人体运动检测、发声检测,在可穿戴领域、人工智能领域有较大的应用前景。
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