基于新型功能复合材料的印刷电容式柔性压力传感器研究

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近年来,电容式柔性压力传感器被广泛应用于智慧医疗、人工智能等新兴领域,受到了学术和产业界的极大关注。目前,大面积、低成本制备高性能的电容式柔性压力传感器仍面临巨大挑战。本论文提出一种可用于电容型柔性压力传感器介电层的新型压敏功能油墨,该油墨由热膨胀微胶囊、纳米银线(AgNWs)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)三相复合制备而成,利用热膨胀微胶囊在介电层内部形成可控的微结构,AgNWs提升器件受压情况下复合电介质介电常数变化率,从而提升器件灵敏度。同时,利用丝网印刷制备柔性压力传感阵列,简化了制备工艺,降低成本。论文的研究内容主要包括三个方面:(1)加热温度及热膨胀微胶囊质量分数对多孔介电层内部微结构、机械性能及电容响应的影响;(2)AgNWs对于AgNWs/PDMS复合介电层的介电性能、机械性能以及电容响应的影响;(3)压敏功能油墨的制备方法、印刷条件对器件印刷质量的影响以及印刷压力传感器的应用研究。论文研究结果发现:(1)随着加热温度由85℃提高至95℃,热膨胀微胶囊在PDMS内部的体积膨胀倍率达到最大,热膨胀后粒径范围为25-75μm。多孔介电层的弹性模量随温度及热膨胀微胶囊质量分数提高而降低。质量分数10%的热膨胀微胶囊/PDMS复合物经95℃加热制备得到多孔介电层,其压力传感器在0-0.2kPa、0.2-1kPa、1-10kPa、10-45kPa四个不同压力范围内灵敏度分别为没有微结构器件的2.9、2.2、2.9、3.4倍。(2)随着AgNWs质量分数的提高,AgNWs/PDMS复合电介质的介电常数、介电损耗及弹性模量逐渐提高。当AgNWs质量分数为0.5%时,柔性压力传感器灵敏度达到最高为0.1707 kPa-1。(3)以AgNWs(0.5wt%)和热膨胀微胶囊(10wt%)与PDMS混合制备复合压敏功能油墨,并利用丝网印刷制备电容式柔性压力传感器。当丝网版目数为300目,印刷速度为7.2m/min,刮墨刀角度为65度,油墨静置时间为7h时复合压敏功能油墨印刷质量最佳。压力传感器最高灵敏度为0.255kPa-1,线性范围为0-1kPa,最小检测限为1.3 Pa,稳定性良好。该印刷压力传感器可感知最远距离为24cm的物体靠近,优于目前文献报道的其它电容型压力传感器,且在物体形状识别、电子皮肤等领域表现出良好的应用潜力。
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