基于石墨烯和银纳米线复合的柔性应力传感器的设计与研制

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可弯曲、伸缩的柔性力敏传感器因能方便地贴附于各种复杂不规则的表面上,正越来越受到人们的重视,随着物联网技术、人工智能技术、生物力学、医学测量等领域的进一步发展,人们对柔性力敏传感器的需求更加迫切。众所周知,压阻型柔性力敏传感器只需一层力敏复合材料作为传感单元,并且压阻型柔性力敏传感器电极布置灵活、传感结构简单、制作工艺简单、成本低、适合批量生产,所以非常适合用于电子皮肤、运动传感器、健康监测和姿态分析等领域,更是人们优先发展的对象。尽管柔性应力传感器的研究已有了较多的报道,但现有的柔性应力传感器还存在许多问题,仍需进一步研究,本文主要研究基于石墨烯和银纳米线复合的柔性应力传感器。目前,压阻型柔性应力传感器的研究主要集中在变形较大的情况下,此时的柔性应力传感器具有高拉伸性和高灵敏度,但在微变形(≤1%)下灵敏度较低,例如声音信号采集、脉搏检测、心跳检测等情形都是在微变形下,所以这就限制了这类传感器的应用范围。针对这一问题,基于石墨烯和银纳米线复合的混合导电粒子之间存在弱相互作用,混合导电粒子制备的复合材料拉伸后具有可逆断开和重新连接的性质,本文设计并制备了一种新型的高灵敏度的柔性应力传感器。具体的制备方法为:将一定比例的氧化石墨烯(GO)和银纳米线(Ag NWs)混合,加入水合肼等进行氧化还原反应,得到超高电导率的应变感应复合材料Ag NWs/RGO,抽滤成膜,再采用柔性聚合物(PDMS)对上述复合材料Ag NWs/RGO进行封装,最终得到基于石墨烯和银纳米线复合的柔性应力传感器。本文搭建了测试传感器性能的电路,用其测试了制备的柔性力敏传感器的灵敏度、弯曲性能、稳定性和频响特性;实验研究了石墨烯和银纳米线的配比对传感器灵敏度的影响,结果表明石墨烯和银纳米线的比例为1:4时,其灵敏度最高,压阻系数高达1547;通过对制备传感器的100次循环拉伸实验,表明制备的传感器具有较好的稳定性;将研制的传感器用于脉搏、喉咙发声、握拳生理特征信号的测试,均能获得清晰的信号波形,该柔性应力传感器具有较好的频响特性。
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