碳纳米管柔性传感器与多层可延展柔性电路

摘要

柔性电子因其在可穿戴表皮电子与可植入生物医疗器件中的巨大潜在应用，而受到广泛关注。生物体的皮肤或者器官是柔软的，其表面是弯曲的且随时间变化的。柔性电子可以与生物体完美贴合，从而可以最大限度地减少生物体排斥。碳纳米管是一种性能优异的一维纳米材料，由于结构差异，其可以呈现金属性或半导体性。此外，碳纳米管具有很高的断裂强度，在弯曲时不容易损坏，是作为柔性器件的理想电子材料。压力传感器、红外传感器和生物电位传感器，是用于健康监测的常用物理传感器，可用于人体脉搏、血压、血氧饱和度以及生理电位等监测。目前基于碳纳米管的柔性压力或者红外传感器虽有所研究，但尚处于初始阶段，器件灵敏度、稳定性、及成本等都有待优化。 针对上述问题，首先本文研究了基于碳纳米管的柔性红外传感器、柔性微压力传感器，及柔性生物电位传感器的制备，性能测试与应用演示。然而，仅仅解决器件级的柔性化问题，制备出高性能的传感器，很难使柔性电子广泛应用于生活中。因为，单独的器件无法满足日常复杂的任务需求，需要功能化高度集成的复杂系统，对传感器采集的信号进行分析与传输。目前的工艺技术，很难基于本身就可以弯曲的新型材料，将整个系统的所有器件柔性化。所以，我们选择结构设计，基于岛-桥模型，利用传统的高性能的硅基芯片，制备出可以延展的柔性电路。现阶段基于结构设计的所有柔性电路都是单层的，低芯片集成密度的，只能用于简单的信号处理。我们通过对基础材料改性以及研发出新的微细加工工艺技术，成功制备出多层的、高芯片集成密度，可以用于复杂任务处理的可延展柔性电路。最终，我们将制备的基于碳纳米管的高性能生物电位传感器与可延展柔性电路系统集成，用于人体体征监测，以及人机交互界面。主要的研究结果如下： (1)设计并制备出基于多壁碳纳米管的柔性红外传感器。针对单壁碳纳米管制备成本高，多壁碳纳米管红外传感器响应速度慢的问题。利用二氧化硅与碳纳米管接触界面对传感器响应速度增强的作用，将传感器响应速度从1200 ms缩减到50 ms，通过转移的方法，制备出基于多壁碳纳米管的柔性红外传感器。进而，利用化学气相沉积法制备的N型和P型多壁碳纳米管阵列，制备出基于多壁碳纳米管P-N结的柔性红外传感器，将传感器响应率从2.25×10-3 V/W提高到1.05×10-2 V/W。此外，本文还展示了基于碳纳米管的红外传感器，在检测人体热辐射中的应用。 (2)设计并制备出基于单壁碳纳米管的柔性微压力传感器。针对压力传感器灵敏度不够高的问题，利用金字塔微结构阵列，以及单壁碳纳米管导电层，制备出灵敏度达8655.6 kPa-1的高性能透明微压力传感器。最后我们展示了该柔性传感器，在电子皮肤及人体脉搏检测中的应用。 (3)设计并制备出高密度芯片集成的多层可延展柔性电路。针对目前仅能制备出低芯片集成密度的单层可延展柔性电路的问题，通过对硅胶进行吸光性改善，利用激光选择性刻蚀技术和对准转印技术，研制出了可用于多层可延展柔性电路制备的工艺技术。最后，利用该技术成功制备出集成多种功能，且实现分别在水平和垂直方向35%和50%延展性的四层柔性电路。 (4)设计并制备出基于多壁碳纳米管的柔性生物电位传感器，并与柔性电路集成，展示了其在健康监测以及人机交互中的应用。目前尚没有将基于材料制备的高性能柔性传感器与基于结构的复杂柔性电路系统结合在一起，展示实际应用的报道。我们通过制备的基于碳纳米管的高性能生物电位传感器与多层可延展柔性电路系统集成，获得了可以独立工作的用于人体健康监测以及人机交互界面的柔性无线传感系统。可对人体的表皮电位(如心电图，肌电图，眼电图和脑电图)、呼吸、体表温度以及运动状态进行无线监测。同时可以无线控制机器人手臂，完全模仿人体手臂的动作。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 基于材料的柔性电子研究现状

1.3 基于结构的柔性电子研究现状

1.4 本论文选题意义与结构安排

第二章 碳纳米管柔性红外传感器设计与制备

2.1 碳纳米管制备与表征

2.2 传感器制备与性能测试

2.3 传感器应用

2.4 传感器结构优化与性能表征

2.5 本章小结

第三章 碳纳米管柔性微压力传感器设计与制备

3.1 传感器制备

3.2 传感器性能

3.3 传感器应用

3.4 本章小结

第四章 多层可延展柔性电路系统设计与制备

4.1 目标

4.2 系统设计

4.3 制备

4.4 成果

4.5 本章小结

第五章 碳纳米管柔性电位传感器与可延展电路系统集成

5.1 碳纳米管柔性电位传感器制备

5.2 柔性传感器性质

5.3 柔性传感器性能

5.4 碳纳米管柔性传感器与柔性可延展电路系统集成

5.5 健康监测

5.6 人机交互界面

5.7 本章小结

第六章 全文总结及展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果