黑磷烯电学与力学特性在柔性压力传感器中的应用探索
发布时间：2021-01-13 12:23
随着可穿戴设备的发展,柔性压力传感器在医疗诊断、机器人制造、电子皮肤等应用领域有很大的应用前景,其中电容式柔性压力传感器具有灵敏度高、器件构造简单、动态响应性能好等优点,得到国内外学者的广泛关注。新型二维材料在力学、热学、电学、光学等特性上展示出的极大的优势,正在成为带动行业跨越式发展的新动力,使用二维材料作为新型敏感元件材料,极有可能在柔性传感器领域取得重大的进展,获得事半功倍的效果。黑磷烯是继石墨烯之后出现的一种新型原子厚度的二维材料,研究证明其带隙及材料特性受电、力、光等调控,本文基于密度泛函理论仿真了黑磷烯的带隙及静态介电常数与材料应变之间的关系,设计并制备了一种电容式柔性压力传感器。该传感器以PET为柔性基底,ITO为电极,黑磷烯/氧化石墨烯薄膜为复合介质层。本文系统地测试了该传感器在不同压力范围内的灵敏度,线性度等性能,分析了其温度特性、重复性以及响应速度,并且与基于氧化石墨烯单层介质层的传感器在不同应变下的性能进行了比较。总的来说,本文研究内容主要分为以下几点:（1）通过Materials Studio软件的CASTEP模块仿真了黑磷烯的带隙以及静态介电常数在材料形变下的...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性可穿戴压力传感器的对生理参数进行监测的示意图[1]
东南大学硕士学位论文21.1.1电阻式柔性压力传感器电阻式柔性压力传感器：其基本工作原理是将压力的变化转换为传感器电阻值的变化。通常是采用压力敏感材料或弹性导体制成，电阻的变化主要来源于压力作用下压敏材料电阻率的变化，或者材料的变形引起的导体的横截面积和长度的变化。提高电阻式压力传感器性能的方法有：（1）将导电粒子与聚合物材料混合制作弹性导体；（2）在导体上构筑微结构使导电路径发生变化[8,9]。中国电子信息工程大学生物医学工程系的刘存光[10]等人基于多层石墨烯的压阻效应研发了一种柔性电阻式压力传感器。如图1-2（a）所示，它的工作原理是将石墨烯薄膜粘附在聚酯纤维的表面，当施加压力时，聚酯纤维的结构会发生变形，使石墨烯薄膜发生变形，从而导致传感器的内阻变化；释放压力后，聚酯纤维结构可以恢复其原始状态，具有良好的重复性。如图1-3所示，此压力传感器表现出优异的性能，其灵敏度最高可达到0.012kPa-1，测量范围为0-800kPa，响应时间为50ms。同时，研究学者们还利用该传感器研发了无线足底压力测量系统，如图1-2（b）所示。与大多数研究报导的高灵敏度的压力传感器（测量范围低于100kPa）相比，此压力传感器在比较宽的测量范围内获得了较高的灵敏度，足以应用于足底压力的测量，同时具有良好的可重复性，灵活性和舒适性等优点为各种可穿戴应用提供了可能性，例如：监视人的日常活动和运动状态。图1-2压敏石墨烯纺织传感器的工作原理与应用[10]：（a）工作原理示意图；（b）足底压力动态测量系统的示意图
第一章绪论3图1-3不同层数的石墨烯纺织压力传感器的输出电阻曲线[10]中国电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室的李响[11]等人基于图案化电极和具有微结构的多壁碳纳米管（MWCNTs）阵列制备了一种柔性电阻式压力传感器，将金字塔结构的多壁碳纳米管（MWCNTs）薄膜随机面对面地粘贴到有图案化电极的柔性聚对苯二甲酸类塑料（Polyethyleneterephthalate，PET）薄膜上。在对传感器施加压力时，金字塔与电极之间的接触面积的变化导致传感器电阻上升，等效电路如图1-4所示。通过设计微结构和图案化电极的几何形状，匹配它们的相对位置，可以调节器件的灵敏度。该传感器的性能很大程度取决于PDMS基板上金字塔形MWCNTs阵列的微观结构和PET衬底上的图案化电极。如图1-5所示，该传感器在低压范围内（低于0.1kPa）具有9.95kPa-1的超高灵敏度，比非结构化传感器高约100倍，而且还具有高稳定性和快速响应性，其响应时间小于200ms。这些特性使得基于微结构化MWCNTs阵列的传感器在机器人，电子皮肤以及一系列人机界面的应用领域有很大的潜在应用前景。图1-4传感器响应施加压力的工作机制：（a）示意图；（b）无压力等效电路图；（c）带压力等效电路图[11]
本文编号：2974870
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性可穿戴压力传感器的对生理参数进行监测的示意图[1]
东南大学硕士学位论文21.1.1电阻式柔性压力传感器电阻式柔性压力传感器：其基本工作原理是将压力的变化转换为传感器电阻值的变化。通常是采用压力敏感材料或弹性导体制成，电阻的变化主要来源于压力作用下压敏材料电阻率的变化，或者材料的变形引起的导体的横截面积和长度的变化。提高电阻式压力传感器性能的方法有：（1）将导电粒子与聚合物材料混合制作弹性导体；（2）在导体上构筑微结构使导电路径发生变化[8,9]。中国电子信息工程大学生物医学工程系的刘存光[10]等人基于多层石墨烯的压阻效应研发了一种柔性电阻式压力传感器。如图1-2（a）所示，它的工作原理是将石墨烯薄膜粘附在聚酯纤维的表面，当施加压力时，聚酯纤维的结构会发生变形，使石墨烯薄膜发生变形，从而导致传感器的内阻变化；释放压力后，聚酯纤维结构可以恢复其原始状态，具有良好的重复性。如图1-3所示，此压力传感器表现出优异的性能，其灵敏度最高可达到0.012kPa-1，测量范围为0-800kPa，响应时间为50ms。同时，研究学者们还利用该传感器研发了无线足底压力测量系统，如图1-2（b）所示。与大多数研究报导的高灵敏度的压力传感器（测量范围低于100kPa）相比，此压力传感器在比较宽的测量范围内获得了较高的灵敏度，足以应用于足底压力的测量，同时具有良好的可重复性，灵活性和舒适性等优点为各种可穿戴应用提供了可能性，例如：监视人的日常活动和运动状态。图1-2压敏石墨烯纺织传感器的工作原理与应用[10]：（a）工作原理示意图；（b）足底压力动态测量系统的示意图
第一章绪论3图1-3不同层数的石墨烯纺织压力传感器的输出电阻曲线[10]中国电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室的李响[11]等人基于图案化电极和具有微结构的多壁碳纳米管（MWCNTs）阵列制备了一种柔性电阻式压力传感器，将金字塔结构的多壁碳纳米管（MWCNTs）薄膜随机面对面地粘贴到有图案化电极的柔性聚对苯二甲酸类塑料（Polyethyleneterephthalate，PET）薄膜上。在对传感器施加压力时，金字塔与电极之间的接触面积的变化导致传感器电阻上升，等效电路如图1-4所示。通过设计微结构和图案化电极的几何形状，匹配它们的相对位置，可以调节器件的灵敏度。该传感器的性能很大程度取决于PDMS基板上金字塔形MWCNTs阵列的微观结构和PET衬底上的图案化电极。如图1-5所示，该传感器在低压范围内（低于0.1kPa）具有9.95kPa-1的超高灵敏度，比非结构化传感器高约100倍，而且还具有高稳定性和快速响应性，其响应时间小于200ms。这些特性使得基于微结构化MWCNTs阵列的传感器在机器人，电子皮肤以及一系列人机界面的应用领域有很大的潜在应用前景。图1-4传感器响应施加压力的工作机制：（a）示意图；（b）无压力等效电路图；（c）带压力等效电路图[11]
本文编号：2974870
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