基于纳米复合材料的柔性温度传感器研究
发布时间：2021-07-06 13:37
随着大数据和可穿戴智能终端近些年快速地发展,传感器作为其核心器件之一,正被广泛应用于电子皮肤、智能机器人和功能化器件上,逐渐对传统的医疗保健业、餐饮业和农业等产生冲击。基于柔性电子传感器感知功能优异（力学、温度、心率、血压等）、生物相容性好、轻薄低功耗等优点,使其成为近年来电子行业和相关科研领域的重点研究方向。柔性温度传感器在柔性电子领域的相关研究较少,如何在具有高拉伸性和应变适应性的有机聚合物材料中导入温度敏感材料,使其可以具备传统温度传感器的温敏性能,是目前柔性温度传感器研究亟需解决的关键问题。本文提出了两种新型的柔性温度传感器,并分别对这两种传感器系统地进行了理论模型的解释、制备工艺的介绍和传感器温敏性能、相关应用等方面的研究。本论文的具体研究内容如下:（1）基于PVA柔性温度传感器的实验研究。选择MWCNT作为主要的填充材料,通过掺入不同的NTC热敏电阻材料(CaCu3Ti4O12（CCTO）)、SnO2、CoO、MnO),改变MWCNT/NTC材料的质量比例,并将PVA作为基底材料,通过溶...
【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】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性传感器应用场景先进的柔性人造皮肤可以与柔软、可弯曲和动态变形的人体皮肤进行无缝接触[4]，能够将人造皮肤附着在人体表面，通过皮肤表面汗液体内的化学成分和活动
第一章绪论5在碳纳米管柔性温度传感器发展领域，韩国高丽大学的JuHyunOh等人[29]利用生物微结构胶制作一种皮肤温度传感器，这种电阻式传感器是聚N-异丙基丙烯酰胺/3，4-乙烯二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐/碳纳米管（pNIPAM/PEDOT∶PSS/CNT）的复合材料填充至一种仿章鱼的微结构胶粘剂中而制作而成的，如图1-2(a)所示。该传感器在25~40℃表现出极高的灵敏性，可以感知0.5℃的微小变化，灵敏度为2.6%℃-1，同时可以反复弯曲并长时间地贴附在人体的皮肤上。意大利比萨大学的GMatzeu等人[30]将分散在氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）溶液中的多壁碳纳米管（MWCNT）滴注在聚酰亚胺（PI）支撑的金电极上，制作出一种MWCNTs/SEBS三嵌段共聚物复合材料的温度传感器，这种传感器在20~60℃表现出优良的电阻响应性能，可以用于远程监测患者的慢性伤口，如图1-2(b)所示。日本大版府立大学的SHrada等人[31]利用可打印纳米复合油墨技术制作出一种多功能的人工电子胡须，其可以感知温度和压力，具有高灵敏度、多功能和大规模生产等特点。其中温度传感器是将导电PEDOT∶PSS和CNT以10∶1的质量比例混合，在塑料表面打印出3μm厚的PEDOT∶PSS-CNT薄膜，然后使用激光切割工具蚀刻PEDOT:PSS-CNT薄膜使其图形化，形成晶须结构。该传感器在25.8~53.2℃的范围表现出优良的电阻变化，灵敏度为0.63%℃-1，如图1-2(c)、(d)所示。图1-2碳纳米管柔性温度传感器。(a)pNIPAM/PEDOT∶PSS/CNT温度传感器结构；(b)MWCNTs/SEBS温度传感器电阻变化率-温度曲线；(c)PEDOT∶PSS/CNT温度传感器结构；(d)PEDOT∶PSS/CNT温度传感器电阻变化率-温度曲线
电子科技大学硕士学位论文6在石墨烯柔性温度传感器发展领域，合肥工业大学的田敏等人[32]设计了一种基于石墨烯的机器人用柔性温度传感器，用于机械手臂抓取物体时的温度感知和接近感知。该传感器在10~60℃温度区间的电阻基本呈线性变化，线性度高达99.60%。成均馆大学的DongHaeHo等人[33]开发出一种透明、可拉伸的全石墨烯多功能的电子皮肤传感器矩阵，如图1-3(a)所示。该传感器不仅在0~100℃的范围内有良好的灵敏性，在湿度和压力响应上也有不错的表现。TranQuangTrung等人[34]选择石墨烯/聚偏二氟乙烯（R-GO/P（VDF-TrFE））纳米复合材料，采用温度响应层的场效应晶体管结构，研制出了一种透明、可流动的温度传感器。这种传感器能够检测到极微小的温度变化，小到0.1℃，并且对人体的温度响应非常快，如图1-3(b)所示。并且这种传感器在复杂的环境条件下具有较高的热响应性、稳定性和可重复性。同时P（VDF-TrFE）疏水层最小化了极性溶剂、水分或水蒸气对传感器传感能力的影响，使得制造高稳定性、高灵敏度、高流动性和透明的热场效应晶体管传感器成为可能。Yang等人[35]采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和聚合物辅助转移技术，研制出一种简单的基于石墨烯/聚二甲基硅氧烷(GNWs/PDMS)的可穿戴温度传感器，如图1-3(c)、(d)所示。其热响应远远超过传统的温度传感器。该传感器的电阻温度系数（TCR）系数高达0.214℃-1，是传统温度传感器的三倍。图1-3石墨烯柔性温度传感器。(a)全石墨烯电子皮肤电阻变化-温度曲线；(b)R-GO/P（VDF-TrFE）温度传感器电压/电流变化-温度曲线；(c)GNWs/PDMS温度传感器结构；(d)GNWs/PDMS温度传感器电阻/电压变化-温度曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]PDMS基柔性温度传感器的温敏性能研究[J]. 吴林辉,叶双莉. 现代化工. 2019(05)
[2]NTC热敏电阻的研究现状及发展方向[J]. 贺晓金,张晋敏. 电子技术与软件工程. 2016(10)
[3]温度报警器的设计与制作[J]. 钱小君. 物理通报. 2010(06)
[4]智能柔性传感器的应用及其发展前景[J]. 刘敏,庄勤亮. 纺织科技进展. 2009(01)
[5]导电复合材料的两种现象的解释[J]. 李宏建,潘勇,何英旋. 湘潭大学自然科学学报. 1996(04)
硕士论文
[1]基于石墨烯的机器人用柔性温度传感器的研究[D]. 田敏.合肥工业大学 2015
本文编号：3268343
【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】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性传感器应用场景先进的柔性人造皮肤可以与柔软、可弯曲和动态变形的人体皮肤进行无缝接触[4]，能够将人造皮肤附着在人体表面，通过皮肤表面汗液体内的化学成分和活动
第一章绪论5在碳纳米管柔性温度传感器发展领域，韩国高丽大学的JuHyunOh等人[29]利用生物微结构胶制作一种皮肤温度传感器，这种电阻式传感器是聚N-异丙基丙烯酰胺/3，4-乙烯二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐/碳纳米管（pNIPAM/PEDOT∶PSS/CNT）的复合材料填充至一种仿章鱼的微结构胶粘剂中而制作而成的，如图1-2(a)所示。该传感器在25~40℃表现出极高的灵敏性，可以感知0.5℃的微小变化，灵敏度为2.6%℃-1，同时可以反复弯曲并长时间地贴附在人体的皮肤上。意大利比萨大学的GMatzeu等人[30]将分散在氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）溶液中的多壁碳纳米管（MWCNT）滴注在聚酰亚胺（PI）支撑的金电极上，制作出一种MWCNTs/SEBS三嵌段共聚物复合材料的温度传感器，这种传感器在20~60℃表现出优良的电阻响应性能，可以用于远程监测患者的慢性伤口，如图1-2(b)所示。日本大版府立大学的SHrada等人[31]利用可打印纳米复合油墨技术制作出一种多功能的人工电子胡须，其可以感知温度和压力，具有高灵敏度、多功能和大规模生产等特点。其中温度传感器是将导电PEDOT∶PSS和CNT以10∶1的质量比例混合，在塑料表面打印出3μm厚的PEDOT∶PSS-CNT薄膜，然后使用激光切割工具蚀刻PEDOT:PSS-CNT薄膜使其图形化，形成晶须结构。该传感器在25.8~53.2℃的范围表现出优良的电阻变化，灵敏度为0.63%℃-1，如图1-2(c)、(d)所示。图1-2碳纳米管柔性温度传感器。(a)pNIPAM/PEDOT∶PSS/CNT温度传感器结构；(b)MWCNTs/SEBS温度传感器电阻变化率-温度曲线；(c)PEDOT∶PSS/CNT温度传感器结构；(d)PEDOT∶PSS/CNT温度传感器电阻变化率-温度曲线
电子科技大学硕士学位论文6在石墨烯柔性温度传感器发展领域，合肥工业大学的田敏等人[32]设计了一种基于石墨烯的机器人用柔性温度传感器，用于机械手臂抓取物体时的温度感知和接近感知。该传感器在10~60℃温度区间的电阻基本呈线性变化，线性度高达99.60%。成均馆大学的DongHaeHo等人[33]开发出一种透明、可拉伸的全石墨烯多功能的电子皮肤传感器矩阵，如图1-3(a)所示。该传感器不仅在0~100℃的范围内有良好的灵敏性，在湿度和压力响应上也有不错的表现。TranQuangTrung等人[34]选择石墨烯/聚偏二氟乙烯（R-GO/P（VDF-TrFE））纳米复合材料，采用温度响应层的场效应晶体管结构，研制出了一种透明、可流动的温度传感器。这种传感器能够检测到极微小的温度变化，小到0.1℃，并且对人体的温度响应非常快，如图1-3(b)所示。并且这种传感器在复杂的环境条件下具有较高的热响应性、稳定性和可重复性。同时P（VDF-TrFE）疏水层最小化了极性溶剂、水分或水蒸气对传感器传感能力的影响，使得制造高稳定性、高灵敏度、高流动性和透明的热场效应晶体管传感器成为可能。Yang等人[35]采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和聚合物辅助转移技术，研制出一种简单的基于石墨烯/聚二甲基硅氧烷(GNWs/PDMS)的可穿戴温度传感器，如图1-3(c)、(d)所示。其热响应远远超过传统的温度传感器。该传感器的电阻温度系数（TCR）系数高达0.214℃-1，是传统温度传感器的三倍。图1-3石墨烯柔性温度传感器。(a)全石墨烯电子皮肤电阻变化-温度曲线；(b)R-GO/P（VDF-TrFE）温度传感器电压/电流变化-温度曲线；(c)GNWs/PDMS温度传感器结构；(d)GNWs/PDMS温度传感器电阻/电压变化-温度曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]PDMS基柔性温度传感器的温敏性能研究[J]. 吴林辉,叶双莉. 现代化工. 2019(05)
[2]NTC热敏电阻的研究现状及发展方向[J]. 贺晓金,张晋敏. 电子技术与软件工程. 2016(10)
[3]温度报警器的设计与制作[J]. 钱小君. 物理通报. 2010(06)
[4]智能柔性传感器的应用及其发展前景[J]. 刘敏,庄勤亮. 纺织科技进展. 2009(01)
[5]导电复合材料的两种现象的解释[J]. 李宏建,潘勇,何英旋. 湘潭大学自然科学学报. 1996(04)
硕士论文
[1]基于石墨烯的机器人用柔性温度传感器的研究[D]. 田敏.合肥工业大学 2015
本文编号：3268343
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