电子皮肤器件微纳结构设计研究

发布时间：2020-10-21 06:11

　　 人体皮肤的触觉是人类获取外部世界信息的基本手段之一。在过去的数十年中,研究人员致力于发展一种称作电子皮肤的柔性薄膜电学器件,其目标是独立于人体之外模拟人类皮肤的触觉功能,并应用于智能机器人、仿生假肢、健康监测与人机接口等领域。压觉是触觉的核心,不同于人体皮肤压觉的是,电子皮肤的“压觉”是一种定量的传感测量,通过柔性压力传感器实现,并从灵敏度、回滞、响应时间、线性度、重复性、稳定性等方面来评价。其中灵敏度受到的关注最多,通常通过使用柔软的材料或能够降低材料表观杨氏模量的微观结构来提高柔性压力传感器的灵敏度,但这类方法往往不能兼顾其他性能指标,例如回滞、响应时间和线性度等,严重限制了电子皮肤的可应用性。因此,在取得高灵敏度的基础上,如何提升其他性能指标,仍是电子皮肤器件研究领域的重要挑战。本文针对此类问题,利用微/纳结构及其表面/界面效应在压力传感器中的调控作用,来增强器件的回滞、响应时间等性能,取得了以下研究成果:一、设计并实现了一种基于多级微结构电极的同时具有高灵敏度与低回滞性能的柔性压力传感器。柔性压力传感器的灵敏度和回滞在大多器件中是一对矛盾的性能参数,具体来说高灵敏度往往得益于采用低表观杨氏模量的材料和微纳结构,但这类材料与结构会带来较大的力学回滞。因此,高灵敏度的柔性压力传感器往往伴随着高回滞(20%),使传感结果在动态压力的测量中严重失真,大大降低了器件的可靠性。本文首次提出了一种具有多种尺寸的微型金字塔弹性体的多级微结构电极,并采用商用超薄BOPP薄膜的一面作为另一电极,构建了柔性电容型压力传感器。通过对不同密度的微型金字塔电极构建的压力传感器的测试和分析发现,器件内部界面间的粘附力是产生回滞的主要物理因素,而不是过去研究人员认为的材料自身的粘弹性,并且界面间的粘附强度与微型金字塔之间间距的平方成正比。通过在低密度的大尺寸的金字塔之间插入小尺寸的金字塔构建多级微结构电极可有效地降低界面间的粘附强度,却不降低灵敏度。进一步调控微型金字塔的尺寸、间距和数量比例,最终取得高至3.73 kPa-1的灵敏度和低至4.42%的回滞(同期公开报道的最低值),极低的压力检测极限(0.1 Pa)、较短的响应时间(21ms),以及很好的重复性和稳定性。同时,通过对比同样具有高灵敏度但其中一个具有大回滞,另一个具有小回滞的压力传感器对脉搏波形的测量结果,发现该传感器的兼具高灵敏度和低回滞性能的优点使脉搏的测量结果更加准确可靠,展示了其在未来先进电子皮肤中应用前景。二、设计并实现了一种基于硅纳米线的同时具有低回滞、高速响应与高灵敏度性能的柔性电容型压力传感器。本工作首次将基于VLS法生长的硅纳米线应用于柔性压力传感器,该硅纳米线的形貌特征为:呈针尖状、长短不一、倾斜地站立在衬底上。由于纳米尺寸效应,结晶性良好的硅纳米线从宏观的脆性材料转变为可大角度弯曲的优良弹性体,其弯曲形变是非粘弹性的、可重复的、非时间依赖的。本工作利用VLS法生长的硅纳米线阵列作为介质层构建了柔性电容型压力传感器,得益于其形貌特征,其垂直方向的表观杨氏模量非常小,并且硅纳米线层与电极间的界面粘附几乎可以忽略。测试和分析表明该器件具有柔性电容型压力传感器中前所未有的低回滞(2.26%)、超快的响应时间(～3 ms)和高灵敏度(8.21kPa-1,～236.0pF/kPa)等性能。同时,本文设计了水滴在修饰为超疏水的该器件表面的弹跳传感实验,结果表明该器件能够在短短420 ms内精确分辨水滴的11次快速弹跳过程,展示了其在高速高精度压力传感中的应用潜力。本文将在第一章介绍电子皮肤的发展历史与现状,第二章和第三章分别介绍本文开展的两项主要工作,并在第四章基于全文进行总结与展望。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 电子皮肤简介
        1.1.1 皮肤及其感受器
        1.1.2 电子皮肤的发展简史
    1.2 具有压力传感功能的电子皮肤
        1.2.1 柔性压力传感器性能评价
        1.2.2 柔性压力传感器的工作原理
        1.2.3 柔性压力传感器的研究现状及面临的挑战
    1.3 智能电子皮肤
    1.4 本章小结
    1.5 本文的研究思路与主要内容
    参考文献
第二章 基于多级微结构电极的低回滞高灵敏度柔性压力传感器
    2.1 前言
    2.2 基于多级微结构的柔性电容型压力传感器的设计与制备
        2.2.1 压力传感器的器件与微结构设计
        2.2.2 表面具有多级微结构PDMS电极的制备
        2.2.3 表征与测试
    2.3 基于多级微结构的柔性电容型压力传感器的测试与分析
        2.3.1 基于多级微结构电极的柔性压力传感器的回滞与灵敏度的调控
        2.3.2 基于多级微结构的柔性压力传感器的其他主要性能测试
    2.4 基于多级微结构的柔性压力传感器在精确脉搏测试中的应用
    2.5 本章小结
    参考文献
第三章 基于硅纳米线的低回滞高速响应柔性电容型压力传感器
    3.1 前言
    3.2 基于硅纳米线的柔性电容型压力传感器的设计与制备
        3.2.1 器件设计与制备
        3.2.2 硅纳米线的生长
        3.2.3 超疏水涂层的制备
        3.2.4 测试与表征
    3.3 基于硅纳米线的柔性电容型压力传感器的测试与分析
        3.3.1 VLS工艺生长的硅纳米线的形貌特征与性质
        3.3.2 基于硅纳米线的柔性电容型压力传感器的数学模型
        3.3.3 基于硅纳米线的柔性电容型压力传感器的压力电容响应与灵敏度特性
        3.3.4 基于硅纳米线的柔性电容型压力传感器的回滞与响应时间特性
        3.3.5 基于硅纳米线的柔性电容型压力传感器的其他性能
    3.4 基于硅纳米线的柔性电容型压力传感器的应用
    3.5 本章小结
    参考文献
第四章 结论与展望
    4.1 主要结论
    4.2 研究展望
致谢
攻读博士学位期间的成果

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本文编号：2849750