隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展,柔性壓力傳感器在醫(yī)療診斷、機(jī)器人制造、電子皮膚等應(yīng)用領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景,其中電容式柔性壓力傳感器具有靈敏度高、器件構(gòu)造簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好等優(yōu)點(diǎn),得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。新型二維材料在力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等特性上展示出的極大的優(yōu)勢(shì),正在成為帶動(dòng)行業(yè)跨越式發(fā)展的新動(dòng)力,使用二維材料作為新型敏感元件材料,極有可能在柔性傳感器領(lǐng)域取得重大的進(jìn)展,獲得事半功倍的效果。黑磷烯是繼石墨烯之后出現(xiàn)的一種新型原子厚度的二維材料,研究證明其帶隙及材料特性受電、力、光等調(diào)控,本文基于密度泛函理論仿真了黑磷烯的帶隙及靜態(tài)介電常數(shù)與材料應(yīng)變之間的關(guān)系,設(shè)計(jì)并制備了一種電容式柔性壓力傳感器。該傳感器以PET為柔性基底,ITO為電極,黑磷烯/氧化石墨烯薄膜為復(fù)合介質(zhì)層。本文系統(tǒng)地測(cè)試了該傳感器在不同壓力范圍內(nèi)的靈敏度,線性度等性能,分析了其溫度特性、重復(fù)性以及響應(yīng)速度,并且與基于氧化石墨烯單層介質(zhì)層的傳感器在不同應(yīng)變下的性能進(jìn)行了比較�？偟膩碚f,本文研究?jī)?nèi)容主要分為以下幾點(diǎn):（1）通過Materials Studio軟件的CASTEP模塊仿真了黑磷烯的帶隙以及靜態(tài)介電常數(shù)在材料形變下的... 

【文章來源】：東南大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

柔性可穿戴壓力傳感器的對(duì)生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的示意圖[1]

東南大學(xué)碩士學(xué)位論文21.1.1電阻式柔性壓力傳感器電阻式柔性壓力傳感器：其基本工作原理是將壓力的變化轉(zhuǎn)換為傳感器電阻值的變化。通常是采用壓力敏感材料或彈性導(dǎo)體制成，電阻的變化主要來源于壓力作用下壓敏材料電阻率的變化，或者材料的變形引起的導(dǎo)體的橫截面積和長(zhǎng)度的變化。提高電阻式壓力傳感器性能的方法有：（1）將導(dǎo)電粒子與聚合物材料混合制作彈性導(dǎo)體；（2）在導(dǎo)體上構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)使導(dǎo)電路徑發(fā)生變化[8,9]。中國(guó)電子信息工程大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的劉存光[10]等人基于多層石墨烯的壓阻效應(yīng)研發(fā)了一種柔性電阻式壓力傳感器。如圖1-2（a）所示，它的工作原理是將石墨烯薄膜粘附在聚酯纖維的表面，當(dāng)施加壓力時(shí)，聚酯纖維的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形，使石墨烯薄膜發(fā)生變形，從而導(dǎo)致傳感器的內(nèi)阻變化；釋放壓力后，聚酯纖維結(jié)構(gòu)可以恢復(fù)其原始狀態(tài)，具有良好的重復(fù)性。如圖1-3所示，此壓力傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，其靈敏度最高可達(dá)到0.012kPa-1，測(cè)量范圍為0-800kPa，響應(yīng)時(shí)間為50ms。同時(shí)，研究學(xué)者們還利用該傳感器研發(fā)了無線足底壓力測(cè)量系統(tǒng)，如圖1-2（b）所示。與大多數(shù)研究報(bào)導(dǎo)的高靈敏度的壓力傳感器（測(cè)量范圍低于100kPa）相比，此壓力傳感器在比較寬的測(cè)量范圍內(nèi)獲得了較高的靈敏度，足以應(yīng)用于足底壓力的測(cè)量，同時(shí)具有良好的可重復(fù)性，靈活性和舒適性等優(yōu)點(diǎn)為各種可穿戴應(yīng)用提供了可能性，例如：監(jiān)視人的日�；顒�(dòng)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖1-2壓敏石墨烯紡織傳感器的工作原理與應(yīng)用[10]：（a）工作原理示意圖；（b）足底壓力動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的示意圖

第一章緒論3圖1-3不同層數(shù)的石墨烯紡織壓力傳感器的輸出電阻曲線[10]中國(guó)電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李響[11]等人基于圖案化電極和具有微結(jié)構(gòu)的多壁碳納米管（MWCNTs）陣列制備了一種柔性電阻式壓力傳感器，將金字塔結(jié)構(gòu)的多壁碳納米管（MWCNTs）薄膜隨機(jī)面對(duì)面地粘貼到有圖案化電極的柔性聚對(duì)苯二甲酸類塑料（Polyethyleneterephthalate，PET）薄膜上。在對(duì)傳感器施加壓力時(shí)，金字塔與電極之間的接觸面積的變化導(dǎo)致傳感器電阻上升，等效電路如圖1-4所示。通過設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)和圖案化電極的幾何形狀，匹配它們的相對(duì)位置，可以調(diào)節(jié)器件的靈敏度。該傳感器的性能很大程度取決于PDMS基板上金字塔形MWCNTs陣列的微觀結(jié)構(gòu)和PET襯底上的圖案化電極。如圖1-5所示，該傳感器在低壓范圍內(nèi)（低于0.1kPa）具有9.95kPa-1的超高靈敏度，比非結(jié)構(gòu)化傳感器高約100倍，而且還具有高穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性，其響應(yīng)時(shí)間小于200ms。這些特性使得基于微結(jié)構(gòu)化MWCNTs陣列的傳感器在機(jī)器人，電子皮膚以及一系列人機(jī)界面的應(yīng)用領(lǐng)域有很大的潛在應(yīng)用前景。圖1-4傳感器響應(yīng)施加壓力的工作機(jī)制：（a）示意圖；（b）無壓力等效電路圖；（c）帶壓力等效電路圖[11]


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