纸基柔性压力传感器的制备及阵列化研究

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近些年,越来越多的应用都在逐渐向柔性发展,柔性显示屏、柔性手环、柔性机器人等。这些应用的柔性化便利着我们的生活,也标志着科技的进步,而这些应用的共同点是都需要柔性传感器作为关键器件,由此可见,柔性传感器的研究具有重大的意义。本文主要研究电容式的柔性压力传感器,该传感器采用的是三明治结构,这种结构的传感器灵敏度高、易制备。传统柔性传感器大都采用高分子聚合物作为柔性衬底材料,比如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、PET、树脂等等,这些材料虽具备好的柔韧性,但是表面不好处理。本文采用的是纸作为衬底,这种做法的优势在于不用对衬底做很多处理,即裁即用,易于处理,并且纸的表面具备天然的微纳结构,对于提高传感器的性能有很大的帮助。在柔性电极的材料上选择自己合成具备高长径比的银纳米线和分散多壁碳纳米管,两者都是一维材料,可以深入研究一维材料制备的传感器性能。介质层选择聚二甲基硅氧烷(PDMS),因为聚二甲基硅氧烷PDMS具备出色的柔韧性以及弹性恢复性,这对传感器的灵敏度以及重复性至关重要。本文具体研究内容如下:首先是关于银纳米线作为电极的柔性压力传感器的研究,先是用液相多元醇还原法合成超长银纳米线,采用CuCl2作为催化剂,严格控制生长环境来多次生长。传感器的制备是使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为中间介质层,采用“三明治结构”制备的电容式柔性压力传感器,该传感器具备高达1.05 kPa-1的灵敏度,最小能检测到1 Pa的压强,检测范围为1 Pa到15 kPa,重复测试500次后测试结果依然稳定。其次是采用多壁碳纳米管作为电极的柔性压力传感器的研究,先是用强酸和十二烷基磺酸钠(SDS)来分散多壁碳纳米管,之后采用真空抽滤的方法制备碳纳米管薄膜,滤纸采用的是聚四氟(PTFE)亲水滤纸。同样使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为介质层,采用“三明治结构”制备传感器,该传感器的灵敏度高达1.02 kPa-1,最小能检测到1 Pa的压强响应,检测范围为1 Pa到10 kPa,重复性好。最后是传感器的应用,制备了8*8的柔性传感阵列,该阵列采用的是横纵交叉电极,可以反映出64个点的不同受力情况,并且用该传感阵列测试了写字和重物的状态。还将银纳米线电极传感器做了弯曲测试、鼠标双击测试、发声测试等。
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