基于压力传感器和致动器的智能感知器件研究

发布时间：2020-07-27 15:23

【摘要】：具有感知功能的传感器和致动器是与人们生活最密切相关的一类器件,它们的共同特点就是能够感知压力或电等刺激信号并实现信号间的相互转换。由于在实际生活和工业生产中,电信号的检测与输出手段是最成熟的,且力学信号也是无处不在的,故研究力-电间的相互转换是十分必要的。本文以柔性智能传感器和致动器为研究对象,针对目前它们在制作方法和应用上存在的一些问题进行探讨。本文主要内容和创新点如下:1.通过改变活性材料内部结构构建了力-电转换的传感器。采用一种商业化的重量轻,成本低,可压缩的原材料和简便的制造技术来制备传感器件。通过简单的碳化处理把商业化的三聚氰胺泡沫转换为石墨化、内部纤维部分断裂的三维网络结构的弹性碳泡沫。与最近几年出现的三维结构传感器相比,它不但避免了制作传感材料工序复杂和材料昂贵的问题,而且还克服了器件反应迟钝、工作状态不稳定和压强低于10 kPa时工作困难的缺点。我们得到的传感器的灵敏度高达100.29 kPa~(-1),在11000次重复施压-解压测试中展示出良好的循环稳定性。它可以清晰地检测到大约低至3 Pa的压强(与这个压强相对应的施压物体的质量约为30.4 mg)。2.通过改变活性材料与电极之间的接触构建了力-电转换的传感器。采用具有褶皱的石墨烯膜作为导电材料和水溶性的PVA纳米线作为隔离物来改善传感器的性能。从活性材料和结构设计这两个影响压阻传感器性能的主要因素出发,通过表面粗糙的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板得到了作为导电材料的褶皱石墨烯膜,使用静电纺丝制备技术得到的PVA纳米线作为隔离层调节传感器的结构。这不但避免了传统光刻工艺的工序复杂、成本高、耗时长等缺点,而且改善了由于微观结构均匀,在一定载荷下导致变形很容易达到饱和的一般隔离层缺点。获得了灵敏度高达28.34kPa~(-1)的传感器,能够识别出重量约22.4 mg(2.24 Pa)的轻质大米,经过6000次反复施压-解压循环测试后,显示出优异的耐久性和可靠性,可以检测微弱的脉搏跳动和监测人类的各种运动行为。3.通过构建MXene和LDPE双层膜结构实现了电-力转换的致动器。采用热膨胀系数差别较大的MXene和低密度聚乙烯(LDPE)两种材料制备高性能的致动器。MXene是一种新型二维材料,具有良好的亲水性、优异的导电性、稳定性好等优点,已经在各个领域取得了许多成果。然而,MXene材料在致动器中的使用则很少被提及。我们通过简单的涂覆方法得到了MXene和LDPE双层膜结构的致动器。在低电压的刺激下能够快速响应,在热能的刺激下能够举起相当于其自身重量6.4倍的负载,在光照刺激下它能够负重前行。该工作克服了一般致动器运行时所需的电压或温度过高而导致资源浪费的缺点。此致动器可以很容易地与其它器件一起集成到电路中,在以后的集成化器件中具有很大的应用前景。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212
【图文】：

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多样的刺激会通过感官给我们的日常生活们能够精确地对这些刺激进行感知，而具这些刺激的最好选择。这类感知器件的共换。根据 2016 年美国国防部长办公室发布市场分析和预测：2015 年，传感器和致动销售额的历史新高。同时该报告预测：越的大容量设备中，例如物联网中数以百计年，在物联网的帮助下，传感器和致动器的(CAGR）增长。另外该报告指出：半自动汽新型应用将是未来市场增长的首要驱动力可弯曲和可折叠等优点无疑为这些新型应

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中科技大学博士学位论阵列，薄膜厚度：1-1000 nm 金属，半导晶格）三个维度都在几个 nm 尺度金属，半导，几个有记录的例子表明，技术已经彻底改变了人刷机，技术革命在很大程度上提高了我们的生活质纳米技术的发展有望影响几乎所有领域(图 1.2）[36]革命。纳米技术的核心是利用各种具有优异功能的的不同维度的纳米材料[35]。纳米材料在尺度上介于质也与两者有十分明显的不同。适当地控制纳米尺以及新产品、新设备和新技术。

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技大学博士学位差，所以压阻材料需要由外部两端施加电压，由于其几何形状变化而变化。这就意味着流过横械输入信号的变化而变化）。压传感器”。当然，这些传感器不时它们就不需要外部供应电压源阻传感器能够被用来直接检测动移、变形、质量、压力、流量。不同的材料，如导电弹性体、参与压阻传感器的制造。

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