石墨烯聚合物复合微结构形变响应型柔性压力传感器的研究

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传感器作为检测装置的一个重要组成部分,可以将接收到的外部信号按照特定的规律转换为电信号或其他所需形式输出。传统的传感器以刚性器件为主制备,极大地限制了传感器的使用范围,而柔性传感器的出现正好弥补了这一短板。柔性传感器在医疗检测等领域具有极大的应用潜力。灵敏度作为传感器的重要性能指标,为了提高灵敏度,研究人员从材料的选择、结构的设计、制备工艺的选择等方面都进行了深入的研究,但仍存在成本高、工艺复杂、难以量产等问题。本文提出了基于石墨烯-聚合物复合材料的柔性传感器制备方法,通过旋涂工艺的参数调整和模板的应用,控制了表面微结构的功能层的形式,分别制备了电阻式和电容式两种不同传感机制的柔性传感器,并对两种传感器的整体性能进行测试。具体研究结果内容如下:(1)制备了基于石墨烯-聚合物复合材料的电容式柔性触觉压力传感器。以80目砂纸为模板制备表面具有微结构的功能层,并用来制备电容式柔性传感器,经过测试得:在0-2.6 k Pa载荷范围内,其灵敏度为0.512 k Pa-1,响应时间为260 ms,迟滞特性参数小于8%。同时制备了无微结构和具有微金字塔结构的传感器用来做比较,试验测试得:无微结构传感器在0-2.6 k Pa的载荷范围内灵敏度为0.125 k Pa-1,具有微金字塔结构的传感器在0-2.6 k Pa的载荷范围内灵敏度为0.307 k Pa-1。(2)制备了基于石墨烯-聚合物复合材料的电阻式柔性触觉压力传感器。分别以80、400、800目砂纸为模板制备表面具有微结构的功能层,并用来制备电阻式柔性传感器。测试得:在0-1.6 k Pa的载荷范围内以80目、400目、800目砂纸作为模板制备的柔性电阻式传感器,各自的灵敏度分别为0.341 k Pa-1、0.251 k Pa-1、0.226 k Pa-1。以80目砂纸为模板制备的传感器在微小外力100 Pa的载荷下可以做出响应,电阻变化率达10%,响应时间为100 ms,迟滞特性参数约为7%,线性度为15.5%。(3)所得电容式柔性传感器可以附在手指内侧,用以检测抓取物体时所需力的大小;电阻式柔性传感器除了可以附于手指内侧检测压力大小,还可以附在手指关节处检测手指弯曲状态。本文制备的传感器工艺简单、成本低,具有较高的灵敏度和响应特性,稳定性较好,可用于触觉传感,对可穿戴传感器的研究具有一定的参考价值。
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