压阻式聚合物高柔性传感器结构及制备方法的研究

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近几年,柔性传感设备在医疗诊断、应力传感、柔性皮肤等领域受到更多研究人员的关注,促使更多研究者们在此领域进行创新。传感器通过把外界信息转变为电信号,实现对于力学信号的感知和响应。柔性传感器灵敏度的提升是当前研究的热点。国内外研究人员根据不同的工艺和传感器原理进行了相关研发,分别从在传感元件上制备微结构和改善传感元件导电性方面提高灵敏度,但其方法或工艺存在一些限制性。本文使用强制组装法制备传感元件,并在其表面构筑微结构阵列,从而制备出性能优异的传感器。  本文通过空间限域强制组装(SCFNA)法制备的碳纤维/聚二甲基硅氧烷传感元件。在SCFNA过程中碳纤维的逾渗浓度降低至0.2wt%,传感元件电导率大幅提高,验证了SCFNA法的适用性,证明了粒子导电网络的密实度是影响传感元件导电性能的关键因素。同时还研究了传感元件强制组装程度、填料质量分数及不同形状的微结构对器件性能的影响。  在传感器结构设计过程中,详细论述了微结构阵列的形状及排布方式对传感器灵敏度的影响。经过对两种代表性微结构的理论变形及实验对比,最终确定在传感器表面构筑V槽形微结构,并通过SCFNA微结构模具进行实现。由于对传感器整体柔韧性的需要,封装层采用质地柔软的纯PDMS样片作为传感元件的上下保护层。  在传感器制备过程中,采用SCFNA法在PDMS中填充碳纤维以及形状尺寸更小的碳纳米管,通过电镜观察填料在基体中的分布状态,研究不同浓度及强制组装程度对传感器各方面的性能的影响。在混合有10wt%SCF、1wt%CNT的传感元件的灵敏度达到-0.95kPa-1,重复性小于8%。并将制备好的柔性传感器用于动态弹簧振动测试,考察弹簧的运动状态,发现传感器在低频率(1Hz)下有稳定的输出曲线,证明此柔性传感器的实用性。
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