基于光聚合超声图案增强的银纳米线柔性应变传感器

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基于银纳米线薄膜的柔性应变传感器具有广泛的应用前景,其中面内结构的银纳米线柔性应变传感器因为具备厚度薄、重量轻、透光性高、柔韧性强等优点,成为了研究热点之一。然而现有的面内结构银纳米线柔性应变传感器普遍存在灵敏度低(Gauge Factor,GF<30),对小幅度应变检测不敏感的缺点。通过对面内结构银纳米线柔性应变传感器进行图案化设计,可大幅提升传感灵敏度。然而现有的图案化工艺仍普遍存在以下缺点:(1)制作过程中需要使用激光切割机;(2)制备需要使用昂贵的定制模具;(3)制备需要使用到毒性较强的化学试剂。为解决以上问题,本文提出了光聚合超声图案化工艺,此图案化工艺通过采用自制的光聚合配方作为粘合剂和光刻胶,在水溶液中进行超声清洗完成图案化银纳米线薄膜的制备。通过对图案化工艺进行实验优化后,制作出基于光聚合超声图案增强的银纳米线柔性应变传感器,并探究不同传感图案对传感器小幅度应变拉伸的增敏作用,开展传感器在人体表皮运动的监测工作。本文的具体研究内容如下:(1)光聚合超声图案化银纳米线薄膜制备工艺研究。对光聚合超声图案化柔性银纳米线薄膜制备工艺进行光聚合配方、曝光时长和超声时长三个影响因素的实验优化。优化结果显示在搭配光聚合配方II、180秒紫外曝光和90秒超声清洗,可获得最佳的银纳米线图案。图案完整度达99.1%,残留度仅有0.92%。在最优实验条件下,制作得到了图案线宽最小为30μm的银纳米线薄膜图案。接着对银纳米线薄膜图案进行台阶仪表征,结果显示银纳米线薄膜图案的平均厚度为1.6μm,图案中的银纳米线分布均匀,光聚合超声图案化柔性银纳米线薄膜制备工艺具有较好的稳定性。(2)图案化设计对银纳米线薄膜柔性应变传感器性能的增强作用研究。提出将光聚合超声图案化银纳米线薄膜制备工艺应用图案化银纳米线薄膜柔性应变传感器,制作出基于光聚合超声图案增强的银纳米线柔性应变传感器。然后对不同图案长度参数、图案线宽参数和图案结构的银纳米线图案化柔性应变传感器进行了力电性能测试。测试结果显示直线结构、线宽参数为60μm、长度参数为8μm的图案对银纳米线柔性应变传感器对小幅度应变拉伸的灵敏度增幅最大。传感器在8%的应变拉伸下灵敏度达到了10486.7。此外传感器在响应速度测试中,响应时间小于20ms。在4800次重复拉伸测试中展现了良好的性能稳定性。在400-800nm的可见光透光率测试中透光率均大于80%。最后将直线图案结构的银纳米线柔性应变传感器应用至人体表皮监测,成功实现了对人体脉搏和喉结的表皮运动监测。
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