基于新型功能复合材料的印刷电容式柔性压力传感器研究
发布时间：2021-07-12 05:59
近年来,电容式柔性压力传感器被广泛应用于智慧医疗、人工智能等新兴领域,受到了学术和产业界的极大关注。目前,大面积、低成本制备高性能的电容式柔性压力传感器仍面临巨大挑战。本论文提出一种可用于电容型柔性压力传感器介电层的新型压敏功能油墨,该油墨由热膨胀微胶囊、纳米银线（AgNWs）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）三相复合制备而成,利用热膨胀微胶囊在介电层内部形成可控的微结构,AgNWs提升器件受压情况下复合电介质介电常数变化率,从而提升器件灵敏度。同时,利用丝网印刷制备柔性压力传感阵列,简化了制备工艺,降低成本。论文的研究内容主要包括三个方面:（1）加热温度及热膨胀微胶囊质量分数对多孔介电层内部微结构、机械性能及电容响应的影响;（2）AgNWs对于AgNWs/PDMS复合介电层的介电性能、机械性能以及电容响应的影响;（3）压敏功能油墨的制备方法、印刷条件对器件印刷质量的影响以及印刷压力传感器的应用研究。论文研究结果发现:（1）随着加热温度由85℃提高至95℃,热膨胀微胶囊在PDMS内部的体积膨胀倍率达到最大,热膨胀后粒径范围为25-75μm。多孔介电层的弹性模量随温度及热膨胀微胶囊质量分数提高...
【文章来源】：北京印刷学院北京市
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
a) 荷叶微结构介电层[36]；b) 砂纸微结构介电层[37]
最近,多孔弹性体因其质轻、易变形、制备工艺简单等优点被应用于压力传感器中。通常将可溶于溶剂的无机颗粒分散在弹性体中,通过加热或者水溶的方式除去无机颗粒制备多孔弹性体。多孔弹性体的机械性能主要由无机颗粒的颗粒大小及掺杂量调节。Lee等人[38]利用PDMS与水互不混溶的性质,将不同质量分数的水和PDMS混合,加热烘干固化PDMS,成功制备了具有大量微孔的多孔介电层,制备流程如图1-8所示。研究发现,水的质量分数越高,多孔薄膜弹性体孔隙度越高,因此弹性模量降低,变形能力增强,传感器灵敏度提高。Ding等人[39]将不同颗粒大小的盐块分散在弹性体中,加热固化复合材料,将复合材料浸泡在水中溶解盐块,制备出具有不同孔径大小微孔的多孔弹性体。盐块的颗粒大小极大的影响了传感器性能,盐块的颗粒度越小,传感器在低压处灵敏度越高,然而盐块的颗粒度越大,在高压处灵敏度越高。具有不同孔径大小的传感器都具有良好的稳定性,并可以检测重量低至0.1g的微小物体。表1-2为一些基于不同微结构形状的电容式柔性压力传感器的性能对比。如表1-2所示,拥有微结构的压力传感器量往往拥有较高的灵敏度[40]。
其中,εr为弹性体的介电常数,fc和f分别为渗流阈值和导电颗粒的浓度,s为一固定常数。导电颗粒分散在弹性体中,随着导电颗粒的浓度逐渐提高,复合介电材料的介电常数和介电损耗逐渐提高,当导电颗粒浓度提高到阈值附近时,介电常数指数级大幅提高,而当导电颗粒的浓度超过阈值时,导电颗粒形成通路,介电常数反而下降,复合材料的导电性提高,如图1-9所示。导电颗粒浓度增加到阈值时介电常数大幅提高的物理原因是由于微电容网络的存在[43]。微电容是由分散在弹性体中相邻的导电颗粒作为电极,弹性体作为介电层组成。当导电填料非常接近阈值时,这些微电容对复合介电层电容的贡献与增强的局部电场强度的有关。局部电场强度的显著增加促进了电荷载流子在导电填料与弹性体基体的界面处的迁移和积累。由于两相的弛豫时间不同,表面等离子体共振或外部电极注入的电荷所产生的电荷会在界面处积累。这种界面极化现象,又称麦克斯维尔界面极化,促进了复合介电层介电常数的提高。直到相邻的导电填料相互接近,电荷通过隧穿或通过欧姆传导来释放,复合介电层的介电常数下降,导电性提高。目前,用于制备电容型压力传感器的导电颗粒主要有两类,分别为碳材料和金属导电材料。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于银纳米线/PDMS微结构复合电介质的柔性透明电容式压力传感器及其在穿戴式触摸键盘的应用（英文）[J]. 史瑞龙,娄正,陈帅,沈国震. Science China Materials. 2018(12)
[2]可膨胀微球/硅橡胶泡沫隔热保温材料的制备及性能表征[J]. 王晓晴,文庆珍,朱皓,朱金华. 功能材料. 2018(02)
[3]柔性可穿戴电子传感器研究进展[J]. 钱鑫,苏萌,李风煜,宋延林. 化学学报. 2016(07)
[4]聚合物基复合介电材料的研究进展[J]. 何光森,赵涛,朱朋莉,孙蓉,杜如虚. 材料导报. 2011(23)
[5]0-3型压电陶瓷/硫铝酸盐水泥复合材料的介电频率特性和铁电特性[J]. 黄世峰,叶正茂,常钧,芦令超,王守德,程新. 复合材料学报. 2006(03)
[6]丝网印刷油墨厚度精度分析[J]. 唐少炎,胡更生. 株洲工学院学报. 2003(05)
博士论文
[1]柔性驻极体发电机及其供能压力传感器应用研究[D]. 王波.华中科技大学 2017
硕士论文
[1]压敏型柔性电容传感器介电层的微结构设计[D]. 钟旭燕.大连理工大学 2018
[2]基于复合介电材料的印刷柔性压力传感器研究[D]. 李正博.北京印刷学院 2017
[3]高介电常数聚合物基复合材料的研究[D]. 吴鹏飞.苏州大学 2010
本文编号：3279352
【文章来源】：北京印刷学院北京市
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
a) 荷叶微结构介电层[36]；b) 砂纸微结构介电层[37]
最近,多孔弹性体因其质轻、易变形、制备工艺简单等优点被应用于压力传感器中。通常将可溶于溶剂的无机颗粒分散在弹性体中,通过加热或者水溶的方式除去无机颗粒制备多孔弹性体。多孔弹性体的机械性能主要由无机颗粒的颗粒大小及掺杂量调节。Lee等人[38]利用PDMS与水互不混溶的性质,将不同质量分数的水和PDMS混合,加热烘干固化PDMS,成功制备了具有大量微孔的多孔介电层,制备流程如图1-8所示。研究发现,水的质量分数越高,多孔薄膜弹性体孔隙度越高,因此弹性模量降低,变形能力增强,传感器灵敏度提高。Ding等人[39]将不同颗粒大小的盐块分散在弹性体中,加热固化复合材料,将复合材料浸泡在水中溶解盐块,制备出具有不同孔径大小微孔的多孔弹性体。盐块的颗粒大小极大的影响了传感器性能,盐块的颗粒度越小,传感器在低压处灵敏度越高,然而盐块的颗粒度越大,在高压处灵敏度越高。具有不同孔径大小的传感器都具有良好的稳定性,并可以检测重量低至0.1g的微小物体。表1-2为一些基于不同微结构形状的电容式柔性压力传感器的性能对比。如表1-2所示,拥有微结构的压力传感器量往往拥有较高的灵敏度[40]。
其中,εr为弹性体的介电常数,fc和f分别为渗流阈值和导电颗粒的浓度,s为一固定常数。导电颗粒分散在弹性体中,随着导电颗粒的浓度逐渐提高,复合介电材料的介电常数和介电损耗逐渐提高,当导电颗粒浓度提高到阈值附近时,介电常数指数级大幅提高,而当导电颗粒的浓度超过阈值时,导电颗粒形成通路,介电常数反而下降,复合材料的导电性提高,如图1-9所示。导电颗粒浓度增加到阈值时介电常数大幅提高的物理原因是由于微电容网络的存在[43]。微电容是由分散在弹性体中相邻的导电颗粒作为电极,弹性体作为介电层组成。当导电填料非常接近阈值时,这些微电容对复合介电层电容的贡献与增强的局部电场强度的有关。局部电场强度的显著增加促进了电荷载流子在导电填料与弹性体基体的界面处的迁移和积累。由于两相的弛豫时间不同,表面等离子体共振或外部电极注入的电荷所产生的电荷会在界面处积累。这种界面极化现象,又称麦克斯维尔界面极化,促进了复合介电层介电常数的提高。直到相邻的导电填料相互接近,电荷通过隧穿或通过欧姆传导来释放,复合介电层的介电常数下降,导电性提高。目前,用于制备电容型压力传感器的导电颗粒主要有两类,分别为碳材料和金属导电材料。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于银纳米线/PDMS微结构复合电介质的柔性透明电容式压力传感器及其在穿戴式触摸键盘的应用（英文）[J]. 史瑞龙,娄正,陈帅,沈国震. Science China Materials. 2018(12)
[2]可膨胀微球/硅橡胶泡沫隔热保温材料的制备及性能表征[J]. 王晓晴,文庆珍,朱皓,朱金华. 功能材料. 2018(02)
[3]柔性可穿戴电子传感器研究进展[J]. 钱鑫,苏萌,李风煜,宋延林. 化学学报. 2016(07)
[4]聚合物基复合介电材料的研究进展[J]. 何光森,赵涛,朱朋莉,孙蓉,杜如虚. 材料导报. 2011(23)
[5]0-3型压电陶瓷/硫铝酸盐水泥复合材料的介电频率特性和铁电特性[J]. 黄世峰,叶正茂,常钧,芦令超,王守德,程新. 复合材料学报. 2006(03)
[6]丝网印刷油墨厚度精度分析[J]. 唐少炎,胡更生. 株洲工学院学报. 2003(05)
博士论文
[1]柔性驻极体发电机及其供能压力传感器应用研究[D]. 王波.华中科技大学 2017
硕士论文
[1]压敏型柔性电容传感器介电层的微结构设计[D]. 钟旭燕.大连理工大学 2018
[2]基于复合介电材料的印刷柔性压力传感器研究[D]. 李正博.北京印刷学院 2017
[3]高介电常数聚合物基复合材料的研究[D]. 吴鹏飞.苏州大学 2010
本文编号：3279352
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