發(fā)布時間：2021-07-12 05:59

　　近年來,電容式柔性壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于智慧醫(yī)療、人工智能等新興領(lǐng)域,受到了學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。目前,大面積、低成本制備高性能的電容式柔性壓力傳感器仍面臨巨大挑戰(zhàn)。本論文提出一種可用于電容型柔性壓力傳感器介電層的新型壓敏功能油墨,該油墨由熱膨脹微膠囊、納米銀線（AgNWs）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）三相復(fù)合制備而成,利用熱膨脹微膠囊在介電層內(nèi)部形成可控的微結(jié)構(gòu),AgNWs提升器件受壓情況下復(fù)合電介質(zhì)介電常數(shù)變化率,從而提升器件靈敏度。同時,利用絲網(wǎng)印刷制備柔性壓力傳感陣列,簡化了制備工藝,降低成本。論文的研究內(nèi)容主要包括三個方面:（1）加熱溫度及熱膨脹微膠囊質(zhì)量分數(shù)對多孔介電層內(nèi)部微結(jié)構(gòu)、機械性能及電容響應(yīng)的影響;（2）AgNWs對于AgNWs/PDMS復(fù)合介電層的介電性能、機械性能以及電容響應(yīng)的影響;（3）壓敏功能油墨的制備方法、印刷條件對器件印刷質(zhì)量的影響以及印刷壓力傳感器的應(yīng)用研究。論文研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):（1）隨著加熱溫度由85℃提高至95℃,熱膨脹微膠囊在PDMS內(nèi)部的體積膨脹倍率達到最大,熱膨脹后粒徑范圍為25-75μm。多孔介電層的彈性模量隨溫度及熱膨脹微膠囊質(zhì)量分數(shù)提高... 

【文章來源】：北京印刷學(xué)院北京市

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

a) 荷葉微結(jié)構(gòu)介電層[36]；b) 砂紙微結(jié)構(gòu)介電層[37]

最近,多孔彈性體因其質(zhì)輕、易變形、制備工藝簡單等優(yōu)點被應(yīng)用于壓力傳感器中。通常將可溶于溶劑的無機顆粒分散在彈性體中,通過加熱或者水溶的方式除去無機顆粒制備多孔彈性體。多孔彈性體的機械性能主要由無機顆粒的顆粒大小及摻雜量調(diào)節(jié)。Lee等人[38]利用PDMS與水互不混溶的性質(zhì),將不同質(zhì)量分數(shù)的水和PDMS混合,加熱烘干固化PDMS,成功制備了具有大量微孔的多孔介電層,制備流程如圖1-8所示。研究發(fā)現(xiàn),水的質(zhì)量分數(shù)越高,多孔薄膜彈性體孔隙度越高,因此彈性模量降低,變形能力增強,傳感器靈敏度提高。Ding等人[39]將不同顆粒大小的鹽塊分散在彈性體中,加熱固化復(fù)合材料,將復(fù)合材料浸泡在水中溶解鹽塊,制備出具有不同孔徑大小微孔的多孔彈性體。鹽塊的顆粒大小極大的影響了傳感器性能,鹽塊的顆粒度越小,傳感器在低壓處靈敏度越高,然而鹽塊的顆粒度越大,在高壓處靈敏度越高。具有不同孔徑大小的傳感器都具有良好的穩(wěn)定性,并可以檢測重量低至0.1g的微小物體。表1-2為一些基于不同微結(jié)構(gòu)形狀的電容式柔性壓力傳感器的性能對比。如表1-2所示,擁有微結(jié)構(gòu)的壓力傳感器量往往擁有較高的靈敏度[40]。

其中,εr為彈性體的介電常數(shù),fc和f分別為滲流閾值和導(dǎo)電顆粒的濃度,s為一固定常數(shù)。導(dǎo)電顆粒分散在彈性體中,隨著導(dǎo)電顆粒的濃度逐漸提高,復(fù)合介電材料的介電常數(shù)和介電損耗逐漸提高,當(dāng)導(dǎo)電顆粒濃度提高到閾值附近時,介電常數(shù)指數(shù)級大幅提高,而當(dāng)導(dǎo)電顆粒的濃度超過閾值時,導(dǎo)電顆粒形成通路,介電常數(shù)反而下降,復(fù)合材料的導(dǎo)電性提高,如圖1-9所示。導(dǎo)電顆粒濃度增加到閾值時介電常數(shù)大幅提高的物理原因是由于微電容網(wǎng)絡(luò)的存在[43]。微電容是由分散在彈性體中相鄰的導(dǎo)電顆粒作為電極,彈性體作為介電層組成。當(dāng)導(dǎo)電填料非常接近閾值時,這些微電容對復(fù)合介電層電容的貢獻與增強的局部電場強度的有關(guān)。局部電場強度的顯著增加促進了電荷載流子在導(dǎo)電填料與彈性體基體的界面處的遷移和積累。由于兩相的弛豫時間不同,表面等離子體共振或外部電極注入的電荷所產(chǎn)生的電荷會在界面處積累。這種界面極化現(xiàn)象,又稱麥克斯維爾界面極化,促進了復(fù)合介電層介電常數(shù)的提高。直到相鄰的導(dǎo)電填料相互接近,電荷通過隧穿或通過歐姆傳導(dǎo)來釋放,復(fù)合介電層的介電常數(shù)下降,導(dǎo)電性提高。目前,用于制備電容型壓力傳感器的導(dǎo)電顆粒主要有兩類,分別為碳材料和金屬導(dǎo)電材料。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于銀納米線/PDMS微結(jié)構(gòu)復(fù)合電介質(zhì)的柔性透明電容式壓力傳感器及其在穿戴式觸摸鍵盤的應(yīng)用（英文）[J]. 史瑞龍,婁正,陳帥,沈國震.  Science China Materials. 2018(12)
[2]可膨脹微球/硅橡膠泡沫隔熱保溫材料的制備及性能表征[J]. 王曉晴,文慶珍,朱皓,朱金華.  功能材料. 2018(02)
[3]柔性可穿戴電子傳感器研究進展[J]. 錢鑫,蘇萌,李風(fēng)煜,宋延林.  化學(xué)學(xué)報. 2016(07)
[4]聚合物基復(fù)合介電材料的研究進展[J]. 何光森,趙濤,朱朋莉,孫蓉,杜如虛.  材料導(dǎo)報. 2011(23)
[5]0-3型壓電陶瓷/硫鋁酸鹽水泥復(fù)合材料的介電頻率特性和鐵電特性[J]. 黃世峰,葉正茂,常鈞,蘆令超,王守德,程新.  復(fù)合材料學(xué)報. 2006(03)
[6]絲網(wǎng)印刷油墨厚度精度分析[J]. 唐少炎,胡更生.  株洲工學(xué)院學(xué)報. 2003(05)

博士論文
[1]柔性駐極體發(fā)電機及其供能壓力傳感器應(yīng)用研究[D]. 王波.華中科技大學(xué) 2017

碩士論文
[1]壓敏型柔性電容傳感器介電層的微結(jié)構(gòu)設(shè)計[D]. 鐘旭燕.大連理工大學(xué) 2018
[2]基于復(fù)合介電材料的印刷柔性壓力傳感器研究[D]. 李正博.北京印刷學(xué)院 2017
[3]高介電常數(shù)聚合物基復(fù)合材料的研究[D]. 吳鵬飛.蘇州大學(xué) 2010



本文編號：3279352