基于PVDF的柔性压力传感器的制备及性能研究

来源 :电子科技大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:xuhong
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随着5G时代的到来,物联网技术的应用方兴未艾,各种新兴科技如雨后春笋般发展起来。可穿戴电子设备是物联网的重要应用领域之一,它对于检测人类活动和个人医疗保健具有重要意义。本文以压电柔性压力传感器为研究对象,以无机压电材料钛酸钡(BaTiO3,BTO)和有机压电材料聚偏氟乙烯(PVDF)制备压电式复合薄膜柔性压力传感器。通常,基于无机/有机复合压电材料的传统薄膜面临界面缺陷或分散性差的瓶颈。在此,引入聚多巴胺(PDA)表面改性剂来对BTO进行表面改性处理,然后将其与PVDF基体按不同比例混合以制备PDA@BTO/PVDF复合薄膜。分别采用溶液流延法和静电纺丝技术制备PDA@BTO/PVDF块体复合薄膜和纳米纤维复合薄膜,并以此压电薄膜制备“三明治”结构的可穿戴柔性压力传感器。本论文主要工作和创新结果如下:1.采用溶液流延法制备了系列PDA@BTO/PVDF压电式柔性压力传感器。结果表明,PDA对BTO的改性可以减少BTO与PVDF界面缺陷与裂纹和改善两者兼容性和分散性,减少界面缺陷处的陷阱电荷积累,从而提高压力传感器的性能输出;17wt%的压力传感器性能最好,在12 N下其输出电压9.3V,电流84 nA,响应时间61 ms,灵敏度64.2 mV/N,输出功率0.122μW/cm2;压力传感器对人体形变和运动显示出很高敏感性,可以实时检测如手指弯曲、走、跳、跑等人体运动与生理信号。2.采用先进的静电纺丝技术制备了系列PDA@BTO/PVDF压电式柔性纳米纤维压力传感器。通过研究静电纺丝工艺条件对纳米纤维形貌的影响,确定了静电纺丝制备纳米纤维的最佳工艺参数;同样地,PDA改性可以极大提高BTO在聚合物基底中的分散性与兼容性,改善纳米纤维形貌并使其“凸结”数量大量减小,从而提高压力传感器的性能输出;5wt%的纳米纤维压力传感器性能最佳,在0.07 N下其输出电压2.2V,电流43 nA,响应时间低至27 ms,灵敏度3.95V/N,相比流延法灵敏度提高3个数量级;此外,传感器对于人体桡动脉脉搏,声带振动非常敏感,可以实时检测人体脉搏次数和波形以及分辨声带振动发出的不同人体声音从而实现声音识别。该纳米纤维压力传感器在医疗诊断、个人医疗保健、生物医学和便携式可穿戴设备等领域具有极大的应用潜力。
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