基于SWCNT与叉指电极的不同结构压阻式柔性压力传感器的制备及其性能研究

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物联网涉及世界经济和人类社会的许多领域,近年来得到了全面发展。传感器网络作为物联网的关键技术,在未来几十年内可能会发挥关键作用。传感器可以用来收集和监测环境信息,在绿色技术、环境监测领域已被广泛应用。环境监测传感器应满足工业设施在恶劣条件下(如地下或海底管道)时间和空间两方面环境变化检测的需求。柔性压力传感器具有抗电磁干扰、耐温耐压、灵敏度高、重量轻、体积小、使用灵活等优点,在此类环境监测中具有广阔的应用前景。本论文主要开展了基于碳纳米管(CNTs)复合材料应用于柔性压力传感器的研究,旨在研制出灵敏度高、响应速度快、工作电压低、环境普适性高的柔性压力传感器。本论文主要研究内容和研究结果如下:(1)以CNT为活性材料,通过设计并复制普通砂纸的粗糙结构作为顶电极的特殊结构,制作了具有表面微结构的SWCNT/PDMS复合材料顶电极,以丝网印刷的铜叉指电极为底电极,装配成柔性压力传感器。使用力学测试平台测得传感器在小于50 k Pa的范围内显示出16.56 k Pa-1的灵敏度,传感器在3000圈循环测试后仍能保持良好的性能,探测极限低,能够探测弯曲力,并且能够初步探测手腕脉搏的信号。(2)以三维网络炭(3DFC)为纳米结构,通过复合导电剂和粘结剂PEDOT:PSS,采用SWCNTs穿插于复合材料制备得到了PEDOT:PSS@3DFC-CNT复合电极,将其作为顶电极。采用印刷的铜叉指电极为底电极,组装得到柔性压力传感器。通过自建的力学测试平台测得该传感器在50 k Pa的压强内灵敏度可高达283.230 k Pa-1,1000圈循环稳定性测试后性能下降10.6%,可以探测到极小的外力,在不同压力下拥有稳定响应性,能够探测弯曲力。(3)通过盐模板法制得内部有大量孔隙的多孔状PDMS@CNTs复合电极,与印刷的Cu叉指电极组装得到柔性压阻式压力传感器。该传感器拥有极其优秀的循环稳定性,在加载-卸载5000圈后,仍保持稳定的传感性能。该传感器在50 k Pa压强下的最大灵敏度是6.209 k Pa-1。
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