人體皮膚的觸覺是人類獲取外部世界信息的基本手段之一。在過去的數(shù)十年中,研究人員致力于發(fā)展一種稱作電子皮膚的柔性薄膜電學(xué)器件,其目標(biāo)是獨立于人體之外模擬人類皮膚的觸覺功能,并應(yīng)用于智能機器人、仿生假肢、健康監(jiān)測與人機接口等領(lǐng)域。壓覺是觸覺的核心,不同于人體皮膚壓覺的是,電子皮膚的“壓覺”是一種定量的傳感測量,通過柔性壓力傳感器實現(xiàn),并從靈敏度、回滯、響應(yīng)時間、線性度、重復(fù)性、穩(wěn)定性等方面來評價。其中靈敏度受到的關(guān)注最多,通常通過使用柔軟的材料或能夠降低材料表觀楊氏模量的微觀結(jié)構(gòu)來提高柔性壓力傳感器的靈敏度,但這類方法往往不能兼顧其他性能指標(biāo),例如回滯、響應(yīng)時間和線性度等,嚴(yán)重限制了電子皮膚的可應(yīng)用性。因此,在取得高靈敏度的基礎(chǔ)上,如何提升其他性能指標(biāo),仍是電子皮膚器件研究領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。本文針對此類問題,利用微/納結(jié)構(gòu)及其表面/界面效應(yīng)在壓力傳感器中的調(diào)控作用,來增強器件的回滯、響應(yīng)時間等性能,取得了以下研究成果:一、設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于多級微結(jié)構(gòu)電極的同時具有高靈敏度與低回滯性能的柔性壓力傳感器。柔性壓力傳感器的靈敏度和回滯在大多器件中是一對矛盾的性能參數(shù),具體來說高靈敏度往往得益于采用低表觀楊氏模量的材料和微納結(jié)構(gòu),但這類材料與結(jié)構(gòu)會帶來較大的力學(xué)回滯。因此,高靈敏度的柔性壓力傳感器往往伴隨著高回滯(20%),使傳感結(jié)果在動態(tài)壓力的測量中嚴(yán)重失真,大大降低了器件的可靠性。本文首次提出了一種具有多種尺寸的微型金字塔彈性體的多級微結(jié)構(gòu)電極,并采用商用超薄BOPP薄膜的一面作為另一電極,構(gòu)建了柔性電容型壓力傳感器。通過對不同密度的微型金字塔電極構(gòu)建的壓力傳感器的測試和分析發(fā)現(xiàn),器件內(nèi)部界面間的粘附力是產(chǎn)生回滯的主要物理因素,而不是過去研究人員認(rèn)為的材料自身的粘彈性,并且界面間的粘附強度與微型金字塔之間間距的平方成正比。通過在低密度的大尺寸的金字塔之間插入小尺寸的金字塔構(gòu)建多級微結(jié)構(gòu)電極可有效地降低界面間的粘附強度,卻不降低靈敏度。進(jìn)一步調(diào)控微型金字塔的尺寸、間距和數(shù)量比例,最終取得高至3.73 kPa-1的靈敏度和低至4.42%的回滯(同期公開報道的最低值),極低的壓力檢測極限(0.1 Pa)、較短的響應(yīng)時間(21ms),以及很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。同時,通過對比同樣具有高靈敏度但其中一個具有大回滯,另一個具有小回滯的壓力傳感器對脈搏波形的測量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)該傳感器的兼具高靈敏度和低回滯性能的優(yōu)點使脈搏的測量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠,展示了其在未來先進(jìn)電子皮膚中應(yīng)用前景。二、設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于硅納米線的同時具有低回滯、高速響應(yīng)與高靈敏度性能的柔性電容型壓力傳感器。本工作首次將基于VLS法生長的硅納米線應(yīng)用于柔性壓力傳感器,該硅納米線的形貌特征為:呈針尖狀、長短不一、傾斜地站立在襯底上。由于納米尺寸效應(yīng),結(jié)晶性良好的硅納米線從宏觀的脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱蠼嵌葟澢膬?yōu)良彈性體,其彎曲形變是非粘彈性的、可重復(fù)的、非時間依賴的。本工作利用VLS法生長的硅納米線陣列作為介質(zhì)層構(gòu)建了柔性電容型壓力傳感器,得益于其形貌特征,其垂直方向的表觀楊氏模量非常小,并且硅納米線層與電極間的界面粘附幾乎可以忽略。測試和分析表明該器件具有柔性電容型壓力傳感器中前所未有的低回滯(2.26%)、超快的響應(yīng)時間(～3 ms)和高靈敏度(8.21kPa-1,～236.0pF/kPa)等性能。同時,本文設(shè)計了水滴在修飾為超疏水的該器件表面的彈跳傳感實驗,結(jié)果表明該器件能夠在短短420 ms內(nèi)精確分辨水滴的11次快速彈跳過程,展示了其在高速高精度壓力傳感中的應(yīng)用潛力。本文將在第一章介紹電子皮膚的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀,第二章和第三章分別介紹本文開展的兩項主要工作,并在第四章基于全文進(jìn)行總結(jié)與展望。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 電子皮膚簡介
        1.1.1 皮膚及其感受器
        1.1.2 電子皮膚的發(fā)展簡史
    1.2 具有壓力傳感功能的電子皮膚
        1.2.1 柔性壓力傳感器性能評價
        1.2.2 柔性壓力傳感器的工作原理
        1.2.3 柔性壓力傳感器的研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)
    1.3 智能電子皮膚
    1.4 本章小結(jié)
    1.5 本文的研究思路與主要內(nèi)容
    參考文獻(xiàn)
第二章 基于多級微結(jié)構(gòu)電極的低回滯高靈敏度柔性壓力傳感器
    2.1 前言
    2.2 基于多級微結(jié)構(gòu)的柔性電容型壓力傳感器的設(shè)計與制備
        2.2.1 壓力傳感器的器件與微結(jié)構(gòu)設(shè)計
        2.2.2 表面具有多級微結(jié)構(gòu)PDMS電極的制備
        2.2.3 表征與測試
    2.3 基于多級微結(jié)構(gòu)的柔性電容型壓力傳感器的測試與分析
        2.3.1 基于多級微結(jié)構(gòu)電極的柔性壓力傳感器的回滯與靈敏度的調(diào)控
        2.3.2 基于多級微結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器的其他主要性能測試
    2.4 基于多級微結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器在精確脈搏測試中的應(yīng)用
    2.5 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第三章 基于硅納米線的低回滯高速響應(yīng)柔性電容型壓力傳感器
    3.1 前言
    3.2 基于硅納米線的柔性電容型壓力傳感器的設(shè)計與制備
        3.2.1 器件設(shè)計與制備
        3.2.2 硅納米線的生長
        3.2.3 超疏水涂層的制備
        3.2.4 測試與表征
    3.3 基于硅納米線的柔性電容型壓力傳感器的測試與分析
        3.3.1 VLS工藝生長的硅納米線的形貌特征與性質(zhì)
        3.3.2 基于硅納米線的柔性電容型壓力傳感器的數(shù)學(xué)模型
        3.3.3 基于硅納米線的柔性電容型壓力傳感器的壓力電容響應(yīng)與靈敏度特性
        3.3.4 基于硅納米線的柔性電容型壓力傳感器的回滯與響應(yīng)時間特性
        3.3.5 基于硅納米線的柔性電容型壓力傳感器的其他性能
    3.4 基于硅納米線的柔性電容型壓力傳感器的應(yīng)用
    3.5 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第四章 結(jié)論與展望
    4.1 主要結(jié)論
    4.2 研究展望
致謝
攻讀博士學(xué)位期間的成果

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本文編號：2849750