【摘 要】
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柔性压力传感器在当今数字信息化社会发展中具有巨大的应用前景,不管是在微电子、柔性机器人、医疗健康或是物联网等研究领域中,柔性压力传感器都以其具有柔顺特性从而被研究学者广泛关注。相比于传统的传感器,现有柔性压力传感器大多基于柔性材料来进行设计和制造。然而,采用普通制造方式加工柔性材料的方法,会使得在设计和制造柔性传感器的过程中受到诸多限制,例如:难以对柔性材料进行增减材加工,难以简单、经济地制造具有
【基金项目】
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广东省重点领域研发计划项目“非金属材料超高速光固化增材制造关键技术与装备”,项目编号“2020B090924001”
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柔性压力传感器在当今数字信息化社会发展中具有巨大的应用前景,不管是在微电子、柔性机器人、医疗健康或是物联网等研究领域中,柔性压力传感器都以其具有柔顺特性从而被研究学者广泛关注。相比于传统的传感器,现有柔性压力传感器大多基于柔性材料来进行设计和制造。然而,采用普通制造方式加工柔性材料的方法,会使得在设计和制造柔性传感器的过程中受到诸多限制,例如:难以对柔性材料进行增减材加工,难以简单、经济地制造具有表面微结构设计的高性能柔性压力传感器。因此,研究新型制造技术用于制作柔性压力传感器具有重要意义。数字光处理(Digital Light Processing,DLP)三维打印技术近年来被应用到柔性材料的成型制造中,它具有较高的成型精度,可便于打印具有表面微结构的敏感元件,用于制作柔性压力传感器。在本研究中,使用DLP打印导电水凝胶作为柔性压力传感器的敏感元件,并将其封装制作得到高性能柔性压力传感器。首先研究了导电水凝胶的DLP打印成型工艺,提高了导电水凝胶的打印精度。为提升传感器的性能,设计并打印了带有仿指纹表面微结构的导电水凝胶,将其作为敏感元件制作柔性压力传感器。通过模拟仿真对比分析了导电水凝胶的表面微结构在提升传感器性能中的作用,验证了仿指纹微结构设计的优势。最后通过实验检测了制作的压力传感器的性能,演示了基于DLP打印技术制作的压力传感器在人体运动检测或多功能传感集成中的应用。本文具体研究内容如下:(1)选择导电水凝胶作为制作的柔性压力传感器的敏感元件,进一步研究了导电水凝胶的DLP打印成型工艺。通过调节DLP打印过程中紫外光的单次曝光能量和降低紫外光在导电水凝胶中的穿透深度,以此实现提高导电水凝胶的打印精度,最终DLP打印导电水凝胶的打印精度可达150μm。在采用最优打印工艺参数的基础上,分析了对打印成型的导电水凝胶机械性能和导电性能的影响因素。通过改变导电水凝胶的组分来调节水凝胶内部网络的交联程度,使得打印的导电水凝胶的杨氏模量、断裂应变、形变可恢复性、离子电导率性均能满足制作压力传感器的要求。(2)设计并打印带有仿指纹表面微结构的导电水凝胶,将其作为敏感元件制作柔性压力传感器。基于可高精度打印成型的导电水凝胶,为提升压力传感器性能,提出设计带有仿指纹表面微结构的导电水凝胶作为柔性传感器的敏感元件。通过模拟仿真分析不同尺寸设计微结构的受力压缩变形情况,对比得到了合适的微结构尺寸设计参数。此外,基于双电层电容原理,结合模拟仿真微结构受压形变过程,详细分析了设计的柔性压力传感器实现传感的机理。最后,将打印的带有表面仿指纹的导电水凝胶进行封装,制作得到柔性压力传感器。通过检测压力传感器的特征信号,初步验证制作的传感器可实现压力传感功能。(3)测试传感器的性能参数,并利用演示实验验证制作的柔性压力传感器具有潜在的应用价值。通过与无表面微结构导电水凝胶制作的压力传感器对比,仿指纹表面微结构设计可以使传感器的灵敏度提升2倍,验证了微结构设计的优势。此外,制作传感器的最大压力检测限高达70 k Pa,最低检测限为26 Pa,响应时间为320 ms,且响应信号具有循环加载稳定性。设计制造的传感器可成功应用于轻微压力的触碰感知,以及贴附在人体关节上用来检测关节运动变化。为进一步探究所制作的压力传感器在多功能传感集成中的应用的潜力,采用DLP打印温度响应形状记忆聚合物制作温度响应开关,将制作的压力传感器和温度响应开关集成,可同时实现压力感知和温度响应功能。通过性能测试和演示实验,最终证明基于DLP打印技术制作柔性压力传感器具有可行性。
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