热压法制备图案化弹性体表面及应用

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可穿戴柔性压力传感器因其在疾病诊断、健康监控、人机交互、语音识别等领域的广泛应用而引起了人们的极大兴趣。到目前为止,基于不同传感机制的柔性压力传感器可以被分为晶体管传感、光学传感、压电传感、摩擦电传感、电容传感和电阻传感等。后面两种类型的压力传感器的制备工艺比较简单,并且具有出色的压力响应性能,通常表现为它们的压力响应性能稳定性高,受到外界压力刺激时的响应时间极短,压力监测范围也较广。灵敏度是压力传感器的一个重要的性能指标,但一般的电容和电阻传感型压力传感器的灵敏度较低不能够很好地满足实际应用的需求。目前,很多研究表明在传感器的介电层或电极制备微图案是提高它们响应灵敏度的最有效的做法,制备微图案的传统技术有光刻技术、微接触压印技术、浸笔刻蚀技术、嵌段共聚物刻蚀技术等。然而,上述制造技术往往存在工艺复杂、设备昂贵、耗时等问题,这极大地限制了柔性压力传感器的广泛应用。因此,如何通过一种高效且经济的方法来制备具有优异性能的柔性压力传感器仍然是一个巨大的挑战。本文提出了一种高效、大规模、简便的微图案制备工艺,即利用热塑性聚氨酯(TPU)膜和单壁碳纳米管(SWCNTs)/TPU复合导电膜(简称SWCNTs/TPU)分别作为电容响应型传感器的介电层和电阻响应型传感器的柔性电极,并选择具有通孔结构的不锈钢为模板,然后巧妙地利用热风枪提供的热和风压在介电层和柔性电极的表面制备出类似半球形微图案阵列,最后以此介电层或电极为压力响应敏感层,成功地制备了电容和电阻响应型柔性压力传感器。本文的主要研究内容如下:1.电容式柔性压力传感器的制备与应用使用热风枪制备具有微图案阵列的TPU介电层。将铝箔电极和带有微图案的TPU介电层进行组装,成功地制备了电容式柔性压力传感器。结果表明,Pattern/Pattern型电容式传感器具有较高灵敏度(0.008 k Pa-1)、较大的压力工作范围(0~170 k Pa)和优良的耐久性能(超过5000次加/卸载循环)。Pattern/Pattern型电容式传感器可以用来测量手指按压和弯曲。2.电阻式柔性压力传感器的制备和应用本文利用热风枪成功地在SWCNTs/TPU复合膜表面制备了类似半球形微图案阵列,然后将其作为电极组装成互锁式压阻传感器。该互锁式压阻传感器具有较快的响应时间(小于46 ms),较大的压力工作范围(0.055~254.8k Pa),优异的响应稳定性及耐久性(大于20000次循环)。更有趣的是,互锁式压阻传感器具有多种功能,可以同时监控压力-温度刺激。此外,它还可以监测多种人体生理信号(如动脉脉搏波形、语音识别、呼吸行为等),在智能机器人方面具有非常广泛的应用前景。此外,能够以网络为媒介,实现呼吸频率的无线传输和显示。
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