基于微纳结构的柔性压力传感器制作及其应用研究
发布时间：2021-11-23 03:44
随着电子技术的发展,智能化的可穿戴设备、仿生电子皮肤等领域逐渐被研究者开拓,使其高灵敏度传感器成为近年来的热点研究。而柔性传感器的出现颠覆了人们对传统传感器件认知。柔性压力传感器能够作用于弯曲表面甚至不规则表面,受到了国内外研究柔性传感领域的学者高度关注。目前,高灵敏度传感器仍然存在着因传感结构形变而导致电极断裂;高频使用后其金属层与柔性衬底粘附性差;其制作成本较高而限制了批量化制造等问题。因此本课题针对于柔性压力传感器的上述问题展开研究工作。其中包括具有提高灵敏度的微结构柔性介电层制作;有机硅化合物表面改性的电极板制作以及最后的柔性传感结构的性能测试。（1）设计了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的柔性材料的压力传感结构,它由上下平行柔性电极板和中间柔性介电层组成。通过化学腐蚀工艺对中间介电层进行微结构化,制备双面微结构化的介电层,提高灵敏度,减小响应时间和低质量检出。（2）探索了表面联合改性工艺对有机硅化合物衬底和金属薄膜粘附特性的影响,提高有机硅化合物衬底与金属材料的粘附性。使制备的柔性电极的可拉伸导电性能达到150%;并对柔性电极板进行了400次重复拉伸—回复—拉伸的实验操作,...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性传感器应用领域Figure1-1Applicationfieldofflexiblesensor
中北大学学位论文42017年，美国加州大学戴维斯分校潘挺睿教授课题组报道了一种基于弹性离子-电子界面的柔性全织物电容式可穿戴压力传感器[41]，图1-3所示。通过电纺技术利用离子材料制备的纳米纤维的织物结构。这种可穿戴传感器具有压力检测广泛和高灵敏度。该传感器灵敏度至少是当时现有电容式传感器灵敏度的1000倍，这种可穿戴传感器压力分辨率能达到2.4Pa，响应时间能达到4.2ms，并且具有极好的抗干扰性和信号稳定性。研究人员使用电纺技术制备离子凝胶材料的纳米纤维层，并为全织物超电容可穿戴压力传感器设计了三层结构。外部压力压缩离子材料的纳米纤维层，改变导电织物和纳米纤维层之间的界面处的接触面积，从而引起界面超电容层的电容变化，可以检测结果信号以完成压力检测过程。图1-3（a）纳米纤维层的全织物传感矩阵的示意图；（b）传感阵列照片；（c）横断面电镜图；（d，e）传感器的工作原理；（f）传感器的等效电路图Figure1-3(a)Schematicillustrationoftheall-fabricsensingmatrixwithananofibrouslayer;(b)Photoofthesensorarray;(c)Imagesfromscanningelectronicmicroscopeonthecross-section;(d,e)Operationalprincipleofthesensor;(f)Equivalentelectricalcircuitofthesensor
中北大学学位论文52018年，中国科学院理化技术研究所，国家纳米科学中心纳米系统与层次制造实验室，中国科学院大学联合发表基于导电有机硅化合物涂层纸的高度敏感的压力传感器[42]，如图1-4所示。采用超简单的合成和制备方法，研制了一种基于导电有机硅化合物(CP)涂布纸的柔性压力传感器。该纸基传感器压力能检测到0.3Pa的水平，灵敏度能达到2kPa-l的杰出效果。该传感器基于纸质框架的低成本、便携性、易处理等优点进一步增强了其应用的可行性。同时，该传感器在大部分环境中也具有快速和精确响应优点，在可穿戴传感设备，电子皮肤领域上具有潜在的应用前景。图1-4CPFP传感器的设计思路；（a）CPFP传感器示意图；（b）树叶上的蝴蝶；（c）CPFP传感器照片36x14mm2Figure1-4DesignideaoftheCPFPsensor;(a)SchematicillustrationoftheCPFPsensor;(b)Acolorfulbutterflylandonaleaf;(c)PhotographoftheCPFPsensor.Thesizeofthedeviceis36x14mm2.2020天津大学团队报道了一种高灵敏度压力传感器[43]。该团队使用玫瑰叶片翻模得到微米级的微结构，制作出具有超高灵敏度（70KPa1，小于0.5KPa）和超低检出超低的检出限(0.88Pa)的压力传感器。压力检测范围从0.88Pa到32KPa,快速响应时间为30ms。并且该压力传感器具有光敏反应，在光照情况下进一步提高了灵敏度，并将检测限降低到0.41Pa。这种光控制策略加上生物灵感的多尺度结构的引入，有望帮助设计下一代先进的可穿戴电子设备，用于前所未有的智能应用。微结构翻模制作流程如图1-5。
【参考文献】：
期刊论文
[1]传感器技术在机电自动化控制中的应用[J]. 徐媛媛. 价值工程. 2020(01)
[2]等离子体工艺对PDMS褶皱断纹的影响[J]. 刘杰,李孟春. 微纳电子技术. 2020(01)
[3]柔性可穿戴电子传感器的现状及发展趋势[J]. 吴玉婷,潘志娟. 现代丝绸科学与技术. 2019(05)
[4]多晶硅纳米线的湿法刻蚀及光学性质研究[J]. 刘波. 湖北农机化. 2019(13)
[5]聚乙烯醇基相变复合材料研究进展[J]. 师文钊,刘瑾姝,邢建伟,陆少锋,马超群. 中国材料进展. 2020(03)
[6]设计面向制造技术在柔性生产系统的探索与应用[J]. 余志坤,王天生. 科技创新与应用. 2019(18)
[7]柔性制造技术实训创新实践教学探索[J]. 李新杰,李卫国. 创新创业理论研究与实践. 2019(09)
[8]MEMS智能传感器技术的新进展（续）[J]. 赵正平. 微纳电子技术. 2019(02)
[9]基于动态条件下压力传感器的嵌入式血压测量系统设计[J]. 梅紫萍,耿杰,黄艺. 现代电子技术. 2018(21)
[10]晶圆清洗技术应用[J]. 李东旭,陈立新,郭晓婷,马岩,蒋兴桥,荣宇. 清洗世界. 2018(07)
硕士论文
[1]基于多传感器技术工业机器人的研究与应用[D]. 石稳.浙江海洋大学 2019
[2]银纳米线柔性压力传感器的制备及响应特性优化研究[D]. 全勇.电子科技大学 2017
[3]PDMS低温热解复合膜的制备与性能研究[D]. 郁蕉竹.大连理工大学 2013
本文编号：3513056
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性传感器应用领域Figure1-1Applicationfieldofflexiblesensor
中北大学学位论文42017年，美国加州大学戴维斯分校潘挺睿教授课题组报道了一种基于弹性离子-电子界面的柔性全织物电容式可穿戴压力传感器[41]，图1-3所示。通过电纺技术利用离子材料制备的纳米纤维的织物结构。这种可穿戴传感器具有压力检测广泛和高灵敏度。该传感器灵敏度至少是当时现有电容式传感器灵敏度的1000倍，这种可穿戴传感器压力分辨率能达到2.4Pa，响应时间能达到4.2ms，并且具有极好的抗干扰性和信号稳定性。研究人员使用电纺技术制备离子凝胶材料的纳米纤维层，并为全织物超电容可穿戴压力传感器设计了三层结构。外部压力压缩离子材料的纳米纤维层，改变导电织物和纳米纤维层之间的界面处的接触面积，从而引起界面超电容层的电容变化，可以检测结果信号以完成压力检测过程。图1-3（a）纳米纤维层的全织物传感矩阵的示意图；（b）传感阵列照片；（c）横断面电镜图；（d，e）传感器的工作原理；（f）传感器的等效电路图Figure1-3(a)Schematicillustrationoftheall-fabricsensingmatrixwithananofibrouslayer;(b)Photoofthesensorarray;(c)Imagesfromscanningelectronicmicroscopeonthecross-section;(d,e)Operationalprincipleofthesensor;(f)Equivalentelectricalcircuitofthesensor
中北大学学位论文52018年，中国科学院理化技术研究所，国家纳米科学中心纳米系统与层次制造实验室，中国科学院大学联合发表基于导电有机硅化合物涂层纸的高度敏感的压力传感器[42]，如图1-4所示。采用超简单的合成和制备方法，研制了一种基于导电有机硅化合物(CP)涂布纸的柔性压力传感器。该纸基传感器压力能检测到0.3Pa的水平，灵敏度能达到2kPa-l的杰出效果。该传感器基于纸质框架的低成本、便携性、易处理等优点进一步增强了其应用的可行性。同时，该传感器在大部分环境中也具有快速和精确响应优点，在可穿戴传感设备，电子皮肤领域上具有潜在的应用前景。图1-4CPFP传感器的设计思路；（a）CPFP传感器示意图；（b）树叶上的蝴蝶；（c）CPFP传感器照片36x14mm2Figure1-4DesignideaoftheCPFPsensor;(a)SchematicillustrationoftheCPFPsensor;(b)Acolorfulbutterflylandonaleaf;(c)PhotographoftheCPFPsensor.Thesizeofthedeviceis36x14mm2.2020天津大学团队报道了一种高灵敏度压力传感器[43]。该团队使用玫瑰叶片翻模得到微米级的微结构，制作出具有超高灵敏度（70KPa1，小于0.5KPa）和超低检出超低的检出限(0.88Pa)的压力传感器。压力检测范围从0.88Pa到32KPa,快速响应时间为30ms。并且该压力传感器具有光敏反应，在光照情况下进一步提高了灵敏度，并将检测限降低到0.41Pa。这种光控制策略加上生物灵感的多尺度结构的引入，有望帮助设计下一代先进的可穿戴电子设备，用于前所未有的智能应用。微结构翻模制作流程如图1-5。
【参考文献】：
期刊论文
[1]传感器技术在机电自动化控制中的应用[J]. 徐媛媛. 价值工程. 2020(01)
[2]等离子体工艺对PDMS褶皱断纹的影响[J]. 刘杰,李孟春. 微纳电子技术. 2020(01)
[3]柔性可穿戴电子传感器的现状及发展趋势[J]. 吴玉婷,潘志娟. 现代丝绸科学与技术. 2019(05)
[4]多晶硅纳米线的湿法刻蚀及光学性质研究[J]. 刘波. 湖北农机化. 2019(13)
[5]聚乙烯醇基相变复合材料研究进展[J]. 师文钊,刘瑾姝,邢建伟,陆少锋,马超群. 中国材料进展. 2020(03)
[6]设计面向制造技术在柔性生产系统的探索与应用[J]. 余志坤,王天生. 科技创新与应用. 2019(18)
[7]柔性制造技术实训创新实践教学探索[J]. 李新杰,李卫国. 创新创业理论研究与实践. 2019(09)
[8]MEMS智能传感器技术的新进展（续）[J]. 赵正平. 微纳电子技术. 2019(02)
[9]基于动态条件下压力传感器的嵌入式血压测量系统设计[J]. 梅紫萍,耿杰,黄艺. 现代电子技术. 2018(21)
[10]晶圆清洗技术应用[J]. 李东旭,陈立新,郭晓婷,马岩,蒋兴桥,荣宇. 清洗世界. 2018(07)
硕士论文
[1]基于多传感器技术工业机器人的研究与应用[D]. 石稳.浙江海洋大学 2019
[2]银纳米线柔性压力传感器的制备及响应特性优化研究[D]. 全勇.电子科技大学 2017
[3]PDMS低温热解复合膜的制备与性能研究[D]. 郁蕉竹.大连理工大学 2013
本文编号：3513056
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