柔性力敏薄膜材料制備及壓力傳感器陣列的研制

發(fā)布時(shí)間：2020-05-06 18:30

【摘要】：隨著智能化技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展,柔性壓力傳感器作為可穿戴電子設(shè)備和電子皮膚的核心器件,擁有了越來(lái)越廣闊的市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)了十余年的發(fā)展,柔性壓力傳感器的相關(guān)研究已經(jīng)從探究具有壓敏效應(yīng)的導(dǎo)電高分子復(fù)合材料發(fā)展到了研究制備具有高性能柔性傳感器。為了獲得高性能的柔性壓力傳感器,研究者們?cè)趥鞲衅鞯牟牧�、結(jié)構(gòu)及器件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了一系列的創(chuàng)新型研究工作。目前已經(jīng)研制出了一些基于新型材料與結(jié)構(gòu)的高性能,低成本的柔性壓力傳感器,并且在可穿戴傳感器,電子皮膚等應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)獲得了一定程度的發(fā)展。但是,探究一種低成本、制備工藝簡(jiǎn)單高效、具有工業(yè)化潛力、具有高靈敏度、寬壓力測(cè)量范圍、低響應(yīng)時(shí)間等高性能的柔性壓力傳感器仍是該研究方向的主要目標(biāo)。本文基于對(duì)高性能、易制備柔性薄膜壓力傳感器的需求,開(kāi)展了如下幾個(gè)方面的工作:1.通過(guò)對(duì)導(dǎo)電高分子復(fù)合材料體系和絲網(wǎng)印刷工藝的研究,探究出了一種通過(guò)簡(jiǎn)單、高效的絲網(wǎng)印刷工藝制備出表面具有周期性微結(jié)構(gòu)的TPU(熱塑性聚氨酯)/CB(炭黑)復(fù)合材料敏感薄膜的柔性薄膜壓力傳感器的方法,并研究了該傳感器的敏感機(jī)理及傳感器的制備方式對(duì)敏感機(jī)理的影響。2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了本課題制備的柔性薄膜壓力傳感器的性能。主要包括柔性壓力傳感器的靈敏度、壓力測(cè)量范圍、響應(yīng)時(shí)間及耐用性。實(shí)驗(yàn)證明該壓力傳感器具有很寬的壓力測(cè)試范圍(116 Pa-1.5 Mpa)、較高的靈敏度(0-100 kPa范圍內(nèi)為5.205 kPa~(-1),超過(guò)1200 kPa壓力范圍為0.63 kPa~(-1))、優(yōu)秀的響應(yīng)時(shí)間及良好的信號(hào)穩(wěn)定性和耐用性。3.探究了這種新型柔性薄膜壓力傳感器在可穿戴及智能檢測(cè)方面的應(yīng)用。具體包括:手腕脈搏信號(hào)檢測(cè)、喉嚨處聲音信號(hào)獲取、振動(dòng)信號(hào)響應(yīng)及應(yīng)用在智能手套上的夾持力檢測(cè)。證明了這種傳感器在智能機(jī)器人、可穿戴電子設(shè)備、人體生物信息檢測(cè)、工程中異常振動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用價(jià)值。4.基于這種新型柔性壓力傳感器的絲網(wǎng)印刷工藝,設(shè)計(jì)并制備了具有三種不同敏感陣列結(jié)構(gòu)的16×16陣列式柔性薄膜壓力傳感器,確定了更適合于陣列傳感器的敏感陣列結(jié)構(gòu)。5.基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)并制作了該陣列式傳感器的采集系統(tǒng),包括采集系統(tǒng)電路及軟件。并驗(yàn)證了這種陣列式柔性薄膜壓力傳感器對(duì)一定面積下的壓力大小及壓力分布信息具有良好的獲取能力。
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