基于二维材料的高性能柔性传感器的结构设计及其应用研究

来源 :常州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:say_8139
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近年来,柔性电子器件已经成为一个非常有前途的领域,特别是可穿戴式柔性高灵敏度传感器应用于人体运动监测、医学检测和电子皮肤等方面。它们不仅可以利用外界各种微弱的变化(形变、热量、声音等)进行传感,即多样化的传感形式拓展了其应用领域,而且可以完全贴合不规则表面,这种多样化的传感形式拓展了其应用领域。然而,目前的柔性传感器的研究还处于初始阶段,虽然能够在较宽的压力范围进行传感,但是大多数传感器依然面临诸多问题,比如响应时间长、灵敏度低、使用寿命短、功能单一化等。为此,柔性传感器的研究还需要进一步的探索,如实现较宽的压力范围与高灵敏度线性结合、功能多样化等。本文主要研究内容和主要研究结果如下:1.为了能在较宽的压力范围内制备出高灵敏度的柔性压力传感器,本章提出了一种基于水热氧化还原制备出CNT-rGO气凝胶传感器的方法。该传感器具有较长的使用寿命(2000次循环)和在较宽压力范围(0.5~3.5kPa)内具有较高的灵敏度(11.8 kPa-1)。一方面该混方法充分利用氧化石墨烯的大比表面积和碳纳米管良好导电性的协同效应,提高了压阻式传感器的电阻效应,使其具有高灵敏度。另一方面,具有丰富多孔结构的三维气凝胶可以提高其几何效应,使其比简单的混合溶液抽滤形成的膜具有更好的分辨率和更宽的压力范围。基于其优越的性能,它在测量压力分布,区分细微的应力变化和监测健康活动方面具有潜在的应用价值。2.为了提高柔性传感器的循环稳定性和解决大规模集成运用的问题,本章采用CNT/CB-Ecoflex复合泡沫制备了具有微纳孔洞结构的柔性传感器。基于Ecoflex自身的强韧性,使用寿命达到8000次,除了运用于手指手腕弯曲、脉搏和呼吸检测等实际应用,凭借其高拉伸性与韧性,能感受到细小的力学形变(千纸鹤测试)和监测健康活动(实时步态特征采集),还可以大规模制备成电子皮肤应用于机器人身体表面。3.为了实现柔性传感器的多功能传感,受到指尖皮肤微结构的启发,本章提出了一种通过将黏土与蔗糖双模板相结合的方法制备出具有双重微脊结构的柔性传感器以提高灵敏度和扩大传感范围以及实现多功能传感。该传感器在0~50 Pa的线性压力范围内灵敏度高达32.9 kP-1并且具有3000次循环的良好稳定性。基于该传感器优异的传感性能,可以运用于监测人体肢体活动如手指弯曲和生理活动如微弱的手腕脉搏跳动外。此外,该传感器在纹理识别和环境温度检测方面性能表现出良好。最后在皮肤传感器的整个制作过程中没有使用昂贵的材料或复杂的设备。我们坚信这项工作将对促进高性能、低成本的多功能传感器的发展有所帮助,并在医疗诊断和人工智能方面有广阔的应用前景。
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