柔性压电薄膜制备及压力传感特性研究

摘要

随着生活水平的不断提高，人类的身体健康状况逐渐受到重视。生物医疗电子设备因其轻便、灵敏、可实时监控等特点受到了人们的青睐。这些医疗电子设备不仅可以在人类行为活动时实时监测人体的基本生物参数，而且可以通过无线终端设备传输至手持终端设备，且利用互联网技术实现多平台共享来对身体状况做出判断。其中具有高灵敏度的柔性应变传感器作为探测人体信号的中心器件，对于能否切确实时地采集人体输出的信号至关重要。因此，制备具有高灵敏度、高柔韧性、重复性好、成本低且结构简单的柔性应变传感器具有非常重要的意义。 本文首先深入讨论了柔性压力传感器的工作机理，通过对几种不同敏感机理的柔性压力传感器进行对比，择优选取了以静电纺丝技术制备的锆钛酸铅PZT纳米陶瓷纤维作为压电材料，将其与聚合物基体PDMS通过旋涂法制备的柔性复合压电薄膜作为功能层，以柔性导电聚萘二甲酸乙二醇酯（ITO—PEN）作为复合薄膜下电极和基底，制备了一个全柔性压电式传感器，并借助COMSOL仿真围绕不同PZT含量对功能层压电性能的影响进行了深层次探究。其次，采用X射线衍射分析仪、扫描电子显微镜、铁电测试仪等设备对传感器功能层的形貌和铁电性进行了表征，结果表明，制备的压电复合薄膜致密性高，材料分布均匀且具有优异的铁电性能。再次，利用自搭建测试平台对柔性压电传感器进行了测试，结果表明该柔性器件具有的良好的柔韧性、耐久性、力电响应特性等。最后将制备的柔性压电传感器与人体各关节部位相结合，将其分别固定于人体手关节、肘关节、膝关节及腕部进行人体姿态识别与人体生命体征监测，并在此传感器基础上制备了3×3阵列式传感器，通过对其施加不同位置、不同面积的作用力来监测其响应输出，测试结果表明其可以实时监测压力分布状态。本文制备的柔性压电传感器制备工艺简单、稳定性持久、灵敏度高，在医疗检测等方面极具潜力。

目录

声明

1 绪论

1.1论文研究背景及意义

1.2 柔性压力传感器简介

1.3 柔性压力传感器国内外现状

1.3.1 电容式柔性压力传感器

1.3.2 电阻式柔性压力传感器

1.3.3 压电式柔性压力传感器

1.4 本论文主要研究内容

2柔性压电薄膜传感器理论基础

2.1压电传感器工作原理

2.2 PZT纳米陶瓷纤维基柔性压电传感器工作机理

2.2.1 PZT纳米陶瓷纤维基压电复合薄膜极化理论

2.2.2 PZT纳米陶瓷纤维基压电传感器工作原理

2.3压电相密度对传感器压电响应输出模型探究

2.4 本章小结

3 基于柔性压电薄膜的压力传感器制备

3.1 PZT纳米纤维制备及表征

3.1.1 实验材料与仪器

3.1.2静电纺丝技术介绍

3.1.3测试表征方法介绍

3.1.4 PZT纳米纤维制备及表征

3.2柔性压电传感器制备及表征

3.2.1 柔性压电传感器制备

3.2.2柔性压电传感器表征

3.3本章小结

4 柔性压力传感器压电性能表征及应用

4.1 柔性压力传感器压电性能表征

4.1.1 电学测试平台搭建

4.1.2 压电相填充比对传感器压电性能影响测试

4.1.3柔性压电传感器灵敏度测试

4.1.4柔性压电传感器弯曲状态性能测试

4.1.5柔性压电传感器稳定性测试

4.2柔性压电传感器应用

4.2.1单点式柔性压电传感器应用

4.2.2 阵列式压力传感器应用

4.3 本章小结

5. 总结与展望

5.1 论文的主要研究内容及结论

5.2 论文创新点

5.3 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢