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基于石墨烯的表皮压力传感器的设计、制备与建模

发布时间:2020-08-25 01:28
【摘要】:随着可穿戴式设备的兴起,可以吸附皮肤测量人体生理信号的表皮传感器引起了人们广泛的关注。其中表皮压力传感器可以监测心率,是可穿戴式设备领域的一个研究热点。由于具有灵敏度高和响应时间快的优点,接触电阻式压力传感器在众多类型的器件中脱颖而出。但是,这种压力传感器线性工作范围窄的弱点,限制了它在心率监测领域的应用。如何保证器件的高灵敏度以及快速响应性能,同时又能扩展其线性工作范围,是该类器件应用于实时心率监测面临的挑战。人们普遍认为此类器件的压力响应取决于接触面的微观结构,所以解决问题的关键在于微观结构的设计。但是由于缺乏理论模型的指导,如何设计微观结构调节器件的灵敏度、线性工作范围等参数,仍是一个未解决的问题。为了解决以上问题,本博士论文利用激光直写技术,围绕接触电阻式表皮压力传感器的设计、制备和建模开展了一系列工作,主要内容如下:在第一章中,我们简要介绍了表皮电子器件的特点和类型,然后综述了表皮压力传感器的研究进展,最后阐明了本论文的研究目标与内容。在第二章中,我们设计并制造一种基于非对称双层导电结构的接触电阻式表皮压力传感器。该器件由两层结构组成:一层是叉指电极层,另一层是导电层。这两层都是由激光还原石墨烯构成的。器件的初始电阻取决于上下两层交叠的面积,可由叉指电极的长度、宽度和数量调节,进而通过初始电阻来调节器件的灵敏度和工作范围。基于上述架构和方法制备的压力传感器的灵敏度可达~2 kPa-1,线性工作范围可至~200 Pa,而且响应时间短至~0.15 ms。此器件不仅能检测到手指的触摸和手腕的弯曲,而且能实时监测脉搏。在第三章中,我们提出了一种通过激光辐照将聚二甲基硅氧烷(PDMS)直接转化为石墨烯的新方法,并且基于这种方法制备了高灵敏的接触电导式表皮压力传感器。拉曼测试结果表明激光辐照能够把PDMS表面转化为石墨烯。这种通过激光直写方式制备的石墨烯具有高导电性和优异的机械性能,因此可以直接用来制作压力传感器。所制备的器件具有超高的灵敏度(~480kPa-1)、快速的响应/恢复时间(2μs/3μs;)和良好的循环稳定性(4000周期)。此器件可以直接吸附在手腕的皮肤上监测脉搏。此外,我们还制作了一个7×7的压力传感器阵列来探测压力的空间分布,展示了其在电子皮肤领域的应用潜力。在第四章中,我们基于高度累积分布函数建立了接触电导式压力传感器的理论模型。本模型综合考虑了接触面和衬底的微观结构对压力响应的影响。模型不仅可以从接触面的AFM高度数据直接计算出电导与压力的曲线,而且可以从微观结构的几何参数推导出电导与压力的关系。因此,这个简单的模型为通过改变接触面和衬底的微观结构来设计接触电导式压力传感器的性能参数提供了一个有力的工具。在第五章中,我们总结了论文主要创新点和不足之处,并对未来可以开展的重要研究方向做了展望。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP212
【图文】:

电子器件,表皮


1.2.1压力传感器的分类逡逑压力传感器主要可分为三类:电阻式、电容式和压电式。它们的压力传感机逡逑制如图1.4所示。逡逑电阻式压力传感器能将压力的变化转换为电阻的变化。这种传感器由于其简逡逑单的结构和读出电路而得到了广泛的应用。在实际应用中,我们只需把一个压阻逡逑传感器与一个合适的固定电阻串联构成分压电路,就可以将电阻的变化转化为逡逑电压的变化,再由单片机读取电压经过模数转换变成数字信号。逡逑电容式压力传感器能将压力的变化转换为电容的变化。电容由C逦/d描逡逑述,其中e代表介质的介电常数M代表电容的面积和d代表电容的间距。所以,逡逑在压力作用下e、J和d的变化都会引起电容的变化。但是电容一般比较小(几逡逑个pF),很难准确测量。在实际的应用中,需要复杂的电路将电容转化成电压。逡逑压电式压力传感器能将压力的变化转换为表面电荷的变化。当压电晶体受到逡逑外力时,内部产生定向的电偶极,它们在内部相互抵消仅在两个表面上产生符号逡逑相反的电荷;当外力撤去后,压电晶体恢复原状态,表面电荷消失;当施加的外逡逑力方向相反时

原理图,原理,压电式,场效应管


1.压电式表皮压力传感器逡逑Rogers研宄组将无机压电材料钛酸锆铅(PZT)和硅场效应管相结合制作了逡逑一种超薄、紧凑的压电式表皮压力传感器6。如图1.5所示,这器件面积仅仅1逡逑cm2,重量轻至2邋mg,厚度薄至25叫,而且伸展30%还能正常工作。由于其整逡逑体的有效模量和皮肤相近,所以可以舒适地贴合皮肤。这个器件的性能优越,同逡逑时具有高灵敏度、快速响应时间、低磁滞和高稳定性,所以可以精确地测量脉搏逡逑压力波。Rogers等人把厚度大约为400邋nm的高质量的PZT薄片作为敏感元件,逡逑并同以硅纳米膜为n型沟道的场效应管的栅电极连接在一起。在这种设计里,场逡逑效应管不仅放大了邋PZT的压电信号,而且通过电容耦合将压电信号转换为电流逡逑输出。逡逑5逡逑

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图1.4三种主要的压力传感原理示意图5:邋(a)压阻;(b)压容;(c)压电逡逑1.2.2表皮压力传感器的研究现状逡逑表皮压力传感的工作比较多,我们从中各挑选一些经典的工作来作为实读者对各类传感器的优缺点有一个具体的认识,并且了解表皮压力传究现状。逡逑1.压电式表皮压力传感器逡逑ogers研宄组将无机压电材料钛酸锆铅(PZT)和硅场效应管相结合制超薄、紧凑的压电式表皮压力传感器6。如图1.5所示,这器件面积仅重量轻至2邋mg,厚度薄至25叫,而且伸展30%还能正常工作。由于有效模量和皮肤相近,所以可以舒适地贴合皮肤。这个器件的性能优越有高灵敏度、快速响应时间、低磁滞和高稳定性,所以可以精确地测量波。Rogers等人把厚度大约为400邋nm的高质量的PZT薄片作为敏感一

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本文编号:2803089


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