基于导电织物的柔性压力传感器的制备与性能研究
发布时间：2022-02-10 01:13
随着电子产品向柔性化、集成化和小型化的方向发展,人们对智能化可穿戴纺织品的需求进一步提升,电子纺织品（E-textiles）成为研究热点。其中,具有力敏响应特性的电子纺织品可以将压力转换为电信号,从而模拟甚至超越人体皮肤的功能,被广泛用于生理信号探测与人机交互领域。与传统的采用透气性差并且不可再生的弹性材料制备的柔性压力传感器相比,基于智能织物的柔性压力传感器具有柔软舒适、易穿戴、耐洗涤、材料可再生等优势,在织物衬底上构建其它电子器件也具有巨大的潜力。本研究主要基于全织物基底来构建柔性压力传感器,研究器件的制备工艺与性能,并进一步扩展可穿戴设备的应用领域。研究内容包括以下三个部分:（1）设计和构建了基于银纳米线导电织物的柔性压力传感器该器件采用浸涂法制备的银纳米线复合织物作为感应层,在织物上丝网印刷的交叉电极作为底电极,工艺简单且适合大面积制备。该器件在宽的压力范围内实现了超高的探测灵敏度,大的开关比,快速的响应时间和低检测限。通过对导电织物表面形貌、电学与力学特性的研究,揭示了此类器件获得优异探测性能的原因。最后研究了该器件在手势识别、语音识别和呼吸信号检测等领域中的应用。（2）设计...
【文章来源】：电子科技大学四川省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性压力传感器应用于生理信号探测与人机交互领域[7]
有灵敏度高、线性度好、响应快、稳定性高以及成本低可大面积制造等优点，此外，为了保证人体长时间佩戴的舒适性，传感器最好具有吸湿、柔软、透气等皮肤舒适的特性。然而，目前大部分柔性压力传感器很难兼顾上面优点，顾此失彼，性能上很难满足实际需求，制备方法复杂且成本较高，并且舒适性也有待提高[8-10]。而纺织品具有其独特的特性，如重量轻、透气性好、表面粗糙度大、耐磨以及保暖舒适性能，使得其特别适合于可穿戴传感器件[3, 11, 12]。本论文从柔性压力传感器的材料选择和制备工艺出发，旨在使用先进的制备工艺在织物基底上构建性能优越、可大面积印刷、并且具有良好的穿戴舒适性的柔性压力传感器阵列并研究它们的实际应用。1.2 柔性压力传感器的探测原理压力传感器感知外界的压力信号，并且能按照一定的规律将其转化为电学信号。柔性可穿戴压力传感器的信号转换机制主要分为压阻、电容、压电三大类，如图 1-2 所示。
并展示出了令人鼓舞的研究成果，例如发明了带有触觉反馈的假肢以及具有触摸屏的电脑。直到二十世纪九十年代，使用了弹性材料的柔性电子器件在应用方面取得了新的突破。特别是近十年来随着纳米领域的进步，基于纳米材料与弹性材料复合的柔性触觉器件吸引了越来越多的科研工作者的研究，并得到了长足的发展。为了获得高性能的柔性压力传感器，多种不同的技术手段被应用到这一领域中来。在结构创新领域，相关微电子研究人员通过将微结构引入传感器也进一步提升了器件的灵敏度[21, 22]；在材料领域中，研究人员主要通过使用新型的聚合物材料以及纳米材料来提升灵敏度[19, 20]；于此同时，人们还在试图集成多种柔性器件与柔性探测器结合到一起，实现系统创新[23]；最后还通过不同的传感机理进行灵敏度提高方面的探索。在结构创新方面，美国斯坦福大学的鲍哲楠组提出了一种新型的基于有机场效应管压力传感器器件结构（如图 1-3 所示），其中场效应管中关键的电介质层采用通过硅基底构建具有方锥型的 PDMS 材料，使器件在低压力范围内的探测灵敏度增加到 0.55 kPa-1，可以准确探测到一个苍蝇的负载。此外，加载与卸载的响应时间都远远低于 1 秒。这种金字塔型微结构设计被后来的研究者广泛地借鉴[24]。
本文编号：3617980
【文章来源】：电子科技大学四川省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性压力传感器应用于生理信号探测与人机交互领域[7]
有灵敏度高、线性度好、响应快、稳定性高以及成本低可大面积制造等优点，此外，为了保证人体长时间佩戴的舒适性，传感器最好具有吸湿、柔软、透气等皮肤舒适的特性。然而，目前大部分柔性压力传感器很难兼顾上面优点，顾此失彼，性能上很难满足实际需求，制备方法复杂且成本较高，并且舒适性也有待提高[8-10]。而纺织品具有其独特的特性，如重量轻、透气性好、表面粗糙度大、耐磨以及保暖舒适性能，使得其特别适合于可穿戴传感器件[3, 11, 12]。本论文从柔性压力传感器的材料选择和制备工艺出发，旨在使用先进的制备工艺在织物基底上构建性能优越、可大面积印刷、并且具有良好的穿戴舒适性的柔性压力传感器阵列并研究它们的实际应用。1.2 柔性压力传感器的探测原理压力传感器感知外界的压力信号，并且能按照一定的规律将其转化为电学信号。柔性可穿戴压力传感器的信号转换机制主要分为压阻、电容、压电三大类，如图 1-2 所示。
并展示出了令人鼓舞的研究成果，例如发明了带有触觉反馈的假肢以及具有触摸屏的电脑。直到二十世纪九十年代，使用了弹性材料的柔性电子器件在应用方面取得了新的突破。特别是近十年来随着纳米领域的进步，基于纳米材料与弹性材料复合的柔性触觉器件吸引了越来越多的科研工作者的研究，并得到了长足的发展。为了获得高性能的柔性压力传感器，多种不同的技术手段被应用到这一领域中来。在结构创新领域，相关微电子研究人员通过将微结构引入传感器也进一步提升了器件的灵敏度[21, 22]；在材料领域中，研究人员主要通过使用新型的聚合物材料以及纳米材料来提升灵敏度[19, 20]；于此同时，人们还在试图集成多种柔性器件与柔性探测器结合到一起，实现系统创新[23]；最后还通过不同的传感机理进行灵敏度提高方面的探索。在结构创新方面，美国斯坦福大学的鲍哲楠组提出了一种新型的基于有机场效应管压力传感器器件结构（如图 1-3 所示），其中场效应管中关键的电介质层采用通过硅基底构建具有方锥型的 PDMS 材料，使器件在低压力范围内的探测灵敏度增加到 0.55 kPa-1，可以准确探测到一个苍蝇的负载。此外，加载与卸载的响应时间都远远低于 1 秒。这种金字塔型微结构设计被后来的研究者广泛地借鉴[24]。
本文编号：3617980
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