基于纳米纤维的柔性电容式传感器的构建与研究

发布时间：2020-08-02 05:26

【摘要】：发展具有高灵敏、可牵伸性的可穿戴电子皮肤在人类健康监测、机器人皮肤和智能电子设备上是十分有价值的。静电纺纳米纤维由于其具比表面积大,孔隙率高,尺寸小等特点,使其在柔性传感器领域具有优异的应用前景。为了利用低成本的静电纺丝技术构建具有高灵敏度的电容式传感器,本文分别对薄膜型和织物型电容传感器进行深入研究:(1)利用CNT导电颗粒与PDMS聚合物基体相结合的方式制备得到具有柔性可传导的CNT/PDMS复合薄膜;利用简单的静电纺丝方法制备具有优异回弹性的聚酰亚胺纳米纤维气凝胶;以CNT/PDMS为上下电极,纳米纤维气凝胶为介电层构建一种柔性可穿戴的压敏型电容式薄膜传感器。测试了该电容传感器的压力传感性能,结果显示,该电容式传感器对压力传感具有很好的回复性和稳定性,对不同压力均具有不同的电容响应;具有广的压力监测范围(~4000Pa);另外该传感器被证明在微小应力的监测上具有杰出的表现,并且在受力去除后电容仍能够快速回复到初始状态。(2)利用静电纺纳米纤维包芯纱技术,制备一种以镀镍棉纱为芯纱,由氧化石墨烯(GO)掺杂的聚氨酯纳米纤维(PU)包覆在镀镍棉纱表面的包芯纱,进一步将包芯纱螺旋缠绕在弹性长丝表面形成了弹性复合纱,然后根据平纹编织方法将弹性复合纱编织成大面积的织物,构建一种能够监测多重机械外力,以及无接触的手指靠近的电子织物传感器。织物的一个交织点即为一个电容传感单元,系统测试并分析了该传感单元的压力,拉伸,弯曲和手指靠近等传感性能。研究结果表明,介电层的三维弹性多孔的纳米纤维结构和传感电极的纤维集聚体结构以及弹性复合纱的包缠结构对提高电子织物的传感单元的灵敏度、实现多力传感以及实现可拉伸、可编织的穿戴性能起着关键的作用。在电子织物中,传感单元在小压力时可以诱导大的纳米纤维介电层接触面积的累积,表现出极好的低压灵敏度(1.59 N~(-1),0.3 N),广的传感范围(0-5 N),低的监测限制(0.001 N),短的响应时间(50 ms),好的循环稳定性和重复性,和在一个大的牵伸范围(0-100%)下的高的牵伸灵敏度。此外,电子织物也被证明适用于声音识别、无接触的气流监测、手指和腕部肌肉移动以及手指无接触靠近等,表明这种柔性的、具有弹性可编织的织物型传感器在可穿戴电子设备和类人机器人上有潜在的应用。
【学位授予单位】：中原工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TP212
【图文】：

压电式,电阻式,传感机理,柔性

几种常见的柔性传感器的传感机理图（a）电阻式；（b）压电式；（c）电容式[10]

介电层,微结构,电容传感器

几种具有微结构介电层的电容传感器[39,40,37]

微阵列,柔性,压力传感器,介电层

s 镶嵌的微阵列底部电极。在外加压力作用下，相对于平板电极与薄膜介电层之间存在更多的孔洞，导致在外力作用下孔洞更大，介电常数增大，所以，具有微阵列电极结构的电容式压的灵敏度。，将介电层以及电极同时微结构设计并组装成电容传感器的研y 课题组[42]分别对由针织和机织两种蓬松度不同的柔性导电粒和盐粒两种颗粒制备的多孔介电层组装得到的电容式压力较，研究表明，表面粗糙，结构疏松，具有更多孔洞的针织导表面平滑，结构紧密的机织导电织物电极具有更高的灵敏度更多孔洞的针织织物电极与硅弹性体之间形成孔隙，这些空隙加了一个介电层；而由糖粒制备的多孔介电层相比于盐粒具有主要是因为糖粒的加入使介电层产生更多的微孔。所以，由针糖粒多孔介电层组装得到的具有三明治结构的电容传感器具21 × 10-4kPa 1)。

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