基于PDMS复合介电层的电容式柔性压力传感器研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 10次 | 上传用户:chifelonh
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近年来,柔性电子器件在电子皮肤,健康监测,压力传感等方面的应用受到越来越多人的重视,继而引发了更多研究人员的创新实验及深入了解。柔性电容式压力传感器将感受到的外界物理因素转化为电信号输出,使人们可以直观的观察到外界因素对我们生活生产的影响,进而帮助人们更加准确有效的进行实践活动。不同的压力变化是感知外部信息的重要手段,对于柔性压力传感器来说,实现其灵敏度的提高是近年来研究的热点。国内外的学者根据不同的传感原理和各种不同的材料成功的实现了柔性压力传感器的研制,分别从改善介质层介电性能和对介质层制备微结构来提高传感器的灵敏度,但是这些传感器都存在一定的局限性。为了设计出性能好、成本低的器件,本文提出了一种基于改变介质层性能和结构的柔性压力传感器,并对其进行了深入的研究。1、为了实现压力传感器的可压缩,电极的选择至关重要。经过几种电极的对比以及实验条件的限制,确定了ITO/PET(氧化铟锡/聚对苯二甲酸乙二醇酯)导电膜做上下层电极。经过实验测试,证明了ITO/PET电极以及传感器整体的稳定性。由于特殊的柔性需要,传感器电介质的选择也至关重要,它必须具备一定的柔软性和可压缩性,而杨氏模量小、化学性质稳定的聚二甲基硅氧烷(PDMS)正是较好的选择。但作为柔性介质层的聚二甲基硅氧烷由于本身的低介电常数导致了较小的电容变化量及电容变化范围受限,针对这个问题,本文利用渗流理论,在PDMS中掺杂了导电颗粒乙炔黑,可以制备出同时具有PDMS化学稳定性及柔软性特点又具备乙炔黑较好介电性能的复合材料,使得复合物的介电性能得到改善从而提高了传感器的灵敏度,在乙炔黑质量分数为2.5 wt%时其灵敏度达到0.73kPa-1,并同时降低了薄膜的粘滞性,使得柔性器件的整体性能也得到改善。除此之外,传感器在检测微小力方面有优异表现,响应速度较快,恢复性能较好。2、为了进一步解决薄膜的粘滞性问题以及利用微结构来提高传感器灵敏度,本文首先利用模板法进行溶解造孔,在PDMS中混合氯化钠(NaCl)颗粒,由于Na Cl颗粒易溶于水使得混合后的薄膜经过清洗后具备了微孔结构,研究多孔结构传感器的压力传感性能。传感器灵敏度达到0.76 kPa-1,并经过一系列的性能测试发现NaCl-多孔PDMS薄膜传感器在测试动态响应、迟滞特性方面均有良好的结果。3、本文还分析了用模板法气体造孔提高传感器灵敏度的研究。在PDMS中混合碳酸氢钠(NaHCO3)颗粒,固化薄膜分别与盐酸反应和薄膜受热分解产生气体后继续溶解掉副产物,对比造孔的效果,选用效果更好的受热分解产生气体的方法。而对比溶解NaCl颗粒,由于气体的产生薄膜内部出现了孔隙,使得传感器更易压缩,在混合20 wt%NaHCO3颗粒时灵敏度达到0.98 kPa-1,能感受到10.15 Pa的压强,响应时间均小于180 ms,迟滞小。两种造孔方法均使得传感器相对纯PDMS传感器在同一压强下达到更容易形变的效果,继而提高了柔性压力传感器的灵敏度。但是气体造孔的方法其灵敏度更高,因而在后续优化实验中采用气体造孔的方法。4、在掺杂有2.5 wt%乙炔黑的PDMS复合材料薄膜内部造孔,使得薄膜在具有良好介电性能的同时通过微结构的作用使得传感器的灵敏度继续提升,达到1.1 k Pa-1,其动态响应测试均优于C/PDMS复合材料薄膜传感器及微结构传感器,说明了导电颗粒及微结构的共同作用大大提高了传感器的整体性能。
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