基于三维多孔结构的柔性电阻式压力传感器研究

来源 :兰州大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:lemayn
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随着科学技术的发展,柔性压力传感器在人们的生活中正发挥着越来越重要的作用,并逐渐成为科学研究的热点之一。为了满足市场发展的需求,各种类型的柔性压力传感器陆续涌现,包括电容式的、压电式的和电阻式的。相比于电容式和压电式的,电阻式的柔性压力传感器具有传感原理简单、信噪比高和传感性能稳定等优势。因此,基于电阻式的柔性压力传感器在社会生产中被广泛的应用。但是,当前研究的电阻式柔性压力传感器普遍存在制备工艺复杂、成本高、不能兼顾灵敏度及应力响应范围和循环稳定性差的问题。在本论文中,针对不能兼顾灵敏度和应力响应范围问题,我们采用简单廉价的方法从修饰三维结构的导电表面积、调节传感材料的物理特性(导电性和杨氏模量)和增加传感材料与电极之间的接触电阻这三种途径着手解决。其次,在制备过程中,我们采用将金属材料半埋藏在柔性基底表面、电沉积和热处理这三种方法来提高导电材料与柔性基底之间的结合力,解决了循环稳定性差的问题。具体研究内容如下:(1)通过选用不同模板增大三维多孔结构导电表面积来优化传感器的传感性能。本论文分别以三维泡沫镍和方糖作为模板构建多孔结构。传感性能测试结果显示,基于泡沫镍为模板制备的柔性压力传感器的最高灵敏度为2.48 kPa-1,整个应力响应范围为0-120 kPa。而以方糖为模板制备的柔性压力传感器,最高灵敏度为6.24 kPa-1,整个应力的响应范围为0-160 kPa。相比于镍骨架的尺寸(50μm),糖具有较大的粒径(200μm),将其作为模板制备的三维结构具有较大的导电表面积,能够提供更多的导电通道。另外,采用将导电材料半包裹在柔性基底的方式可使传感器在周期性应力作用下的循环次数达3700次后仍没有性能的明显衰减。通过构建多孔次级结构进一步提高三维多孔结构导电表面积。传感性能测试结果显示,基于此多孔次级结构的柔性压力传感器的整个应力响应范围为0-60kPa。在0-20 kPa的应力范围内,传感器的灵敏度为28 kPa-1,在20-60 kPa的应力范围内,传感器的灵敏度为12.7 kPa-1。此外,为了进一步提高传感器的循环稳定性,将导电材料由金属纳米线(AgNWs)转换成导电聚合物(PPy),并使用电沉积方法增加基底与导电材料之间的结合力。此传感器的循环次数可达16000次。(2)通过复合的办法调控传感材料的导电性和杨氏模量来提高传感器的传感性能。我们利用一步水热法制备了不同AgNWs复合质量的泡沫碳。研究结果表明,当GO与AgNWs的质量比达到2:1时,传感器的传感性能达到了最佳。传感器的整个应力响应范围为0-75 kPa,最高灵敏度为25.5 kPa-1。相比基于纯泡沫碳的柔性压力传感器的传感性能,使用AgNWs复合之后,传感器的灵敏度提升了2倍以上,应力响应范围增加了0.5倍以上。此外,基于最佳质量比制备的传感器还具有很好的循环稳定性。在3 kPa的应力下,传感器循环10000次之后,电流的响应值仍保持最初的99%。(3)为了进一步改善基于三维多孔结构传感器的传感性能,我们从增加传感材料与电极界面接触电阻入手。本文选用表面具有微结构的多孔碳布作为柔性压力传感器的电极。研究结果表明,以多孔碳布作为电极,传感器最大应力响应值可达500 kPa,比基于表面没有微结构电极的传感器应力响应范围提升了10倍。在150-500 kPa的应力范围内,该传感器的灵敏度仍可以达到34 kPa-1,并且具有较低的应力监测极限(1 Pa)。除此之外,采用热处理的方式增加了导电材料与基底之间的结合力,使得传感器具有优异的循环稳定性,在35 kPa的高应力下循环10000圈之后,传感器电流响应最高值仍保持最初的99%。不仅如此,通过使用碳布作为电极即降低了传感器在未受力时的消耗功率(微瓦量级)又能实现了压力传感器全柔性。本论文针对目前制约电阻式柔性压力传感器大范围推广应用的问题,从调控传感材料物理特性、优化结构设计等方面入手,极大地提升了柔性压力传感器传感性能,使其满足在智能设备领域的应用需求。
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