發(fā)布時間：2021-01-07 10:51

　　壓力傳感器在可穿戴設(shè)備和電子皮膚等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要,壓力傳感器需具有高靈敏度、低檢測限和低成本等優(yōu)點(diǎn)。本論文研究一種基于聚吡咯（PPy）薄膜三級嵌套皺紋結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。首先利用溶液原位沉積法在聚二甲基硅氧烷（PDMS）柔性基底上制備了具有兩尺度皺紋結(jié)構(gòu)的PPy薄膜,隨后利用加熱誘導(dǎo)法制備了具有三級嵌套皺紋結(jié)構(gòu)的PPy薄膜。此處詳細(xì)研究了PDMS基底厚度和PPy聚合反應(yīng)時間對具有兩尺度皺紋結(jié)構(gòu)的PPy薄膜表面形貌和相應(yīng)壓力傳感器靈敏度的影響,確定了最佳的PDMS基底厚度和PPy聚合反應(yīng)時間。隨后我們研究了加熱誘導(dǎo)效應(yīng)對具有三級嵌套皺紋結(jié)構(gòu)的PPy薄膜的表面形貌、表面電阻率和相應(yīng)的壓力傳感器靈敏度的影響。由于具有三級嵌套皺紋結(jié)構(gòu)的PPy薄膜具有刺激響應(yīng)能力和自適應(yīng)能力,該基于PPy薄膜三級嵌套皺紋結(jié)構(gòu)制備的壓阻式壓力傳感器具有超高的靈敏度(19.32 kPa^-1),極低的檢測下限（1 Pa）,超快的響應(yīng)和松弛時間（20 ms和30 ms）,極好的耐久性和穩(wěn)定性（超過1000個循環(huán)）。此外,在本論文中,該壓力傳感器在可穿戴電子領(lǐng)域（例... 

【文章來源】：天津大學(xué)天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

各種壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖：（a）電阻式；（b）電容式；（c）壓電式Figure1-1Schematicdiagramofvariouspressuresensor:(a)resistancetype;(b)capacitancetype;

第1章緒論3圖1-2（a）制造柔性PDMS薄膜及其相應(yīng)的壓力傳感器的示意圖；（b）壓力傳感器分別檢測質(zhì)量為30mg、90mg、30mg三個小玻璃片的實(shí)時I-t曲線圖；（c）壓力傳感器的循環(huán)性能測試曲線；（d，e）壓力傳感器的響應(yīng)和松弛時間曲線[32]Figure1-2(a)SchematicillustrationofthefabricationprocessofflexiblePDMSfilmsandcorrespondingpressuresensors；(b)Real-timeI-tcurvesofthepressuresensorfordetectionofthreesmallglasses,30,90,and30mg,respectively；(c)Cyclicperformancetestcurveforpressuresensor；(d，e)Responseandrelaxationtimecurvesofpressuresensor.[32]上海陶瓷研究所的SunJing團(tuán)隊(duì)[32]制備了一種高靈敏度、低檢測下限和循環(huán)性能好的壓力傳感器。他們以香蕉葉為模板，利用PDMS柔性基底復(fù)刻，隨后沉積銀納米顆粒，制備出具有仿生分級微結(jié)構(gòu)和微裂紋的壓力傳感器。如圖1-2所示，壓力傳感器的靈敏度為10kPa-1，檢測下限為1Pa，響應(yīng)和松弛時間為36ms和30ms。在1kPa的壓力負(fù)載下循環(huán)測試10000次之后仍然能夠保持很好的響應(yīng)特性。清華大學(xué)的RenTian-ling團(tuán)隊(duì)[6]以氧化石墨烯、綿紙為原料制備了石墨烯-紙基電阻式壓力傳感器。如圖1-3所示，該壓力傳感器具有寬的檢測范圍（0-20kPa），同時有很高的靈敏度，它在健康和運(yùn)動檢測領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

天津大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1-3（a）以綿紙為基底的石墨烯基壓力傳感器的制備過程；（b）石墨烯基壓力傳感器的電阻隨壓力變化；（c）測試者的脈搏波形；（d）測試者的步行、跑步運(yùn)動檢測的響應(yīng)曲線[6]Figure1-3(a)Fabricationprocessofthegraphene-basedpressuresensorswithpapersubstrate；(b)Changeofresistancewithpressureincreasesforgraphene-basedpressuresensor；(c)Pulsewaveformofthetester；(d)Responsecurvesforthetester’smovementsofwalking,andrunninginamotionmonitoringtest.[6]1.2.2電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是把外界輸入的壓力信號變化轉(zhuǎn)變成電容量信號變化的器件。它最常見的形狀是由兩個相互平行電極板以及中間相介電層組合而成。當(dāng)對其施加外部壓力時，兩個電極板之間的距離、介電層的介電常數(shù)和兩個電極之間的有效面積將改變，最后導(dǎo)致壓力傳感器的電容值發(fā)生改變[33]。通�？梢酝ㄟ^兩種方式改善它的靈敏度：第一，可以通過修飾介電層的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造具有微納結(jié)構(gòu)的介電層，來達(dá)到提高器件的靈敏度的目的[34]；第二，通過將具有高介電常數(shù)的物質(zhì)和柔性基底組成復(fù)合材料，最后得到對壓力非常敏感的復(fù)合材料。電容式壓力傳感器的S=（ΔC/C0）/ΔP，其中，C0、ΔP、ΔC分別代表的是沒有施加壓力時的起始電容，壓力變化值，電容變化值。NripanMathews團(tuán)隊(duì)[35]以聚對苯二甲酸乙二酯（PET）為基材，通過物理掩模法在其表面沉積銀納米線，隨后以PDMS作為中間層，上下兩層面對面復(fù)合，制備了電容式機(jī)理的壓力傳感器。從圖1-4可知，該電容式壓力傳感器在低壓力區(qū)（30Pa-5kPa）具有很高的靈敏度和循環(huán)性能。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究所的WongChing-ping團(tuán)隊(duì)[36]利用PDMS作為基底材料，負(fù)載銀納米線作為電極

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于柔性壓力傳感器的壓力襪壓力檢測[J]. 龐欣,方園,李新陽.  浙江理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2017(06)
[2]微納結(jié)構(gòu)對電容式柔性壓力傳感器性能影響的研究[J]. 全勇,魏雄邦,肖倫,吳濤,龐韓英,吳雙紅,陳志,蔣亞東.  傳感技術(shù)學(xué)報. 2017(03)

博士論文
[1]基于壓敏硅橡膠的柔性壓力傳感器及其陣列的研究[D]. 梅海霞.吉林大學(xué) 2016

碩士論文
[1]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



本文編號：2962431