基于聚吡咯膜三级嵌套皱纹结构的超灵敏压力传感器
发布时间：2021-01-07 10:51
压力传感器在可穿戴设备和电子皮肤等领域具有非常广阔的应用前景。为了满足实际应用的需要,压力传感器需具有高灵敏度、低检测限和低成本等优点。本论文研究一种基于聚吡咯（PPy）薄膜三级嵌套皱纹结构的压力传感器。首先利用溶液原位沉积法在聚二甲基硅氧烷（PDMS）柔性基底上制备了具有两尺度皱纹结构的PPy薄膜,随后利用加热诱导法制备了具有三级嵌套皱纹结构的PPy薄膜。此处详细研究了PDMS基底厚度和PPy聚合反应时间对具有两尺度皱纹结构的PPy薄膜表面形貌和相应压力传感器灵敏度的影响,确定了最佳的PDMS基底厚度和PPy聚合反应时间。随后我们研究了加热诱导效应对具有三级嵌套皱纹结构的PPy薄膜的表面形貌、表面电阻率和相应的压力传感器灵敏度的影响。由于具有三级嵌套皱纹结构的PPy薄膜具有刺激响应能力和自适应能力,该基于PPy薄膜三级嵌套皱纹结构制备的压阻式压力传感器具有超高的灵敏度(19.32 kPa-1),极低的检测下限（1 Pa）,超快的响应和松弛时间（20 ms和30 ms）,极好的耐久性和稳定性（超过1000个循环）。此外,在本论文中,该压力传感器在可穿戴电子领域（例...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种压力传感器的结构示意图：（a）电阻式；（b）电容式；（c）压电式Figure1-1Schematicdiagramofvariouspressuresensor:(a)resistancetype;(b)capacitancetype;
第1章绪论3图1-2（a）制造柔性PDMS薄膜及其相应的压力传感器的示意图；（b）压力传感器分别检测质量为30mg、90mg、30mg三个小玻璃片的实时I-t曲线图；（c）压力传感器的循环性能测试曲线；（d，e）压力传感器的响应和松弛时间曲线[32]Figure1-2(a)SchematicillustrationofthefabricationprocessofflexiblePDMSfilmsandcorrespondingpressuresensors；(b)Real-timeI-tcurvesofthepressuresensorfordetectionofthreesmallglasses,30,90,and30mg,respectively；(c)Cyclicperformancetestcurveforpressuresensor；(d，e)Responseandrelaxationtimecurvesofpressuresensor.[32]上海陶瓷研究所的SunJing团队[32]制备了一种高灵敏度、低检测下限和循环性能好的压力传感器。他们以香蕉叶为模板，利用PDMS柔性基底复刻，随后沉积银纳米颗粒，制备出具有仿生分级微结构和微裂纹的压力传感器。如图1-2所示，压力传感器的灵敏度为10kPa-1，检测下限为1Pa，响应和松弛时间为36ms和30ms。在1kPa的压力负载下循环测试10000次之后仍然能够保持很好的响应特性。清华大学的RenTian-ling团队[6]以氧化石墨烯、绵纸为原料制备了石墨烯-纸基电阻式压力传感器。如图1-3所示，该压力传感器具有宽的检测范围（0-20kPa），同时有很高的灵敏度，它在健康和运动检测领域具有潜在的应用前景。
天津大学硕士学位论文4图1-3（a）以绵纸为基底的石墨烯基压力传感器的制备过程；（b）石墨烯基压力传感器的电阻随压力变化；（c）测试者的脉搏波形；（d）测试者的步行、跑步运动检测的响应曲线[6]Figure1-3(a)Fabricationprocessofthegraphene-basedpressuresensorswithpapersubstrate；(b)Changeofresistancewithpressureincreasesforgraphene-basedpressuresensor；(c)Pulsewaveformofthetester；(d)Responsecurvesforthetester’smovementsofwalking,andrunninginamotionmonitoringtest.[6]1.2.2电容式压力传感器电容式压力传感器是把外界输入的压力信号变化转变成电容量信号变化的器件。它最常见的形状是由两个相互平行电极板以及中间相介电层组合而成。当对其施加外部压力时，两个电极板之间的距离、介电层的介电常数和两个电极之间的有效面积将改变，最后导致压力传感器的电容值发生改变[33]。通常可以通过两种方式改善它的灵敏度：第一，可以通过修饰介电层的结构，构造具有微纳结构的介电层，来达到提高器件的灵敏度的目的[34]；第二，通过将具有高介电常数的物质和柔性基底组成复合材料，最后得到对压力非常敏感的复合材料。电容式压力传感器的S=（ΔC/C0）/ΔP，其中，C0、ΔP、ΔC分别代表的是没有施加压力时的起始电容，压力变化值，电容变化值。NripanMathews团队[35]以聚对苯二甲酸乙二酯（PET）为基材，通过物理掩模法在其表面沉积银纳米线，随后以PDMS作为中间层，上下两层面对面复合，制备了电容式机理的压力传感器。从图1-4可知，该电容式压力传感器在低压力区（30Pa-5kPa）具有很高的灵敏度和循环性能。中国科学院深圳先进技术研究所的WongChing-ping团队[36]利用PDMS作为基底材料，负载银纳米线作为电极
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于柔性压力传感器的压力袜压力检测[J]. 庞欣,方园,李新阳. 浙江理工大学学报(自然科学版). 2017(06)
[2]微纳结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究[J]. 全勇,魏雄邦,肖伦,吴涛,庞韩英,吴双红,陈志,蒋亚东. 传感技术学报. 2017(03)
博士论文
[1]基于压敏硅橡胶的柔性压力传感器及其阵列的研究[D]. 梅海霞.吉林大学 2016
硕士论文
[1]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
本文编号：2962431
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各种压力传感器的结构示意图：（a）电阻式；（b）电容式；（c）压电式Figure1-1Schematicdiagramofvariouspressuresensor:(a)resistancetype;(b)capacitancetype;
第1章绪论3图1-2（a）制造柔性PDMS薄膜及其相应的压力传感器的示意图；（b）压力传感器分别检测质量为30mg、90mg、30mg三个小玻璃片的实时I-t曲线图；（c）压力传感器的循环性能测试曲线；（d，e）压力传感器的响应和松弛时间曲线[32]Figure1-2(a)SchematicillustrationofthefabricationprocessofflexiblePDMSfilmsandcorrespondingpressuresensors；(b)Real-timeI-tcurvesofthepressuresensorfordetectionofthreesmallglasses,30,90,and30mg,respectively；(c)Cyclicperformancetestcurveforpressuresensor；(d，e)Responseandrelaxationtimecurvesofpressuresensor.[32]上海陶瓷研究所的SunJing团队[32]制备了一种高灵敏度、低检测下限和循环性能好的压力传感器。他们以香蕉叶为模板，利用PDMS柔性基底复刻，随后沉积银纳米颗粒，制备出具有仿生分级微结构和微裂纹的压力传感器。如图1-2所示，压力传感器的灵敏度为10kPa-1，检测下限为1Pa，响应和松弛时间为36ms和30ms。在1kPa的压力负载下循环测试10000次之后仍然能够保持很好的响应特性。清华大学的RenTian-ling团队[6]以氧化石墨烯、绵纸为原料制备了石墨烯-纸基电阻式压力传感器。如图1-3所示，该压力传感器具有宽的检测范围（0-20kPa），同时有很高的灵敏度，它在健康和运动检测领域具有潜在的应用前景。
天津大学硕士学位论文4图1-3（a）以绵纸为基底的石墨烯基压力传感器的制备过程；（b）石墨烯基压力传感器的电阻随压力变化；（c）测试者的脉搏波形；（d）测试者的步行、跑步运动检测的响应曲线[6]Figure1-3(a)Fabricationprocessofthegraphene-basedpressuresensorswithpapersubstrate；(b)Changeofresistancewithpressureincreasesforgraphene-basedpressuresensor；(c)Pulsewaveformofthetester；(d)Responsecurvesforthetester’smovementsofwalking,andrunninginamotionmonitoringtest.[6]1.2.2电容式压力传感器电容式压力传感器是把外界输入的压力信号变化转变成电容量信号变化的器件。它最常见的形状是由两个相互平行电极板以及中间相介电层组合而成。当对其施加外部压力时，两个电极板之间的距离、介电层的介电常数和两个电极之间的有效面积将改变，最后导致压力传感器的电容值发生改变[33]。通常可以通过两种方式改善它的灵敏度：第一，可以通过修饰介电层的结构，构造具有微纳结构的介电层，来达到提高器件的灵敏度的目的[34]；第二，通过将具有高介电常数的物质和柔性基底组成复合材料，最后得到对压力非常敏感的复合材料。电容式压力传感器的S=（ΔC/C0）/ΔP，其中，C0、ΔP、ΔC分别代表的是没有施加压力时的起始电容，压力变化值，电容变化值。NripanMathews团队[35]以聚对苯二甲酸乙二酯（PET）为基材，通过物理掩模法在其表面沉积银纳米线，随后以PDMS作为中间层，上下两层面对面复合，制备了电容式机理的压力传感器。从图1-4可知，该电容式压力传感器在低压力区（30Pa-5kPa）具有很高的灵敏度和循环性能。中国科学院深圳先进技术研究所的WongChing-ping团队[36]利用PDMS作为基底材料，负载银纳米线作为电极
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于柔性压力传感器的压力袜压力检测[J]. 庞欣,方园,李新阳. 浙江理工大学学报(自然科学版). 2017(06)
[2]微纳结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究[J]. 全勇,魏雄邦,肖伦,吴涛,庞韩英,吴双红,陈志,蒋亚东. 传感技术学报. 2017(03)
博士论文
[1]基于压敏硅橡胶的柔性压力传感器及其阵列的研究[D]. 梅海霞.吉林大学 2016
硕士论文
[1]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
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