银纳米线柔性压力传感器的制备及响应特性优化研究

摘要

近些年，柔性压力传感器的应用受到越来越多人的关注。因为柔性压力传感器具有良好的柔弹性，使得传感器可以贴附于人体皮肤表面以及复杂结构的物体表面，另外柔性压力传感器的可拉伸性以及感知特性，使其在机器人、消费电子产品、医疗健康监测设备、智能手套、平板显示、航空航天、军事、工业等领域有着巨大应用潜力。
　　研究表明，柔性压力传感器的设计多采用高分子聚合物材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和导电橡胶等，柔性导电材料多采用的是碳纳米管、银纳米线、石墨烯等材料。高灵敏度、大面积、柔性及较低的检出限是柔性压力传感器成熟应用的关键，因此，研究制备工艺简单、成本低廉且具有高灵敏度、快速响应时间的柔性压力传感器具有重要的科研及实际意义。
　　柔性压力传感器按照工作原理主要分为压阻式、电容式和压电式传感器，本论文主要研究电容式压力传感器。目前基于银纳米线的柔性电容式压力传感器主要是从敏感材料的优化和柔性衬底的结构上来提高传感器的性能。本论文主要以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为传感器的柔性衬底层，以银纳米线（AgNWs）为传感器的敏感材料，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为电容式传感器的中间介电层，并采用层层叠加的方法制备出电容式压力传感器，并对器件结构改进优化传感器的性能。本论文主要从以下几方面开展研究：
　　论文改进了银纳米线的制备方法，并从保护剂的相对分子质量、前驱体AgNO3与保护剂PVP的摩尔比、金属盐浓度、反应温度等几个方面研究影响银纳米线生长的因素，并优化各个影响因素，从而制备纯净、高长径比的银纳米线。
　　论文分别采用喷涂法、滴涂法和旋涂法制备银纳米线电极薄膜，分析平面结构传感器存在的问题，并利用磨砂玻璃模板、平面玻璃模板制备出具有不同微纳结构的柔性衬底薄膜，将电极薄膜和柔性衬底薄膜封装成“三明治结构”的电容式压力传感器，本论文制备的微纳结构衬底的传感器的灵敏度达到1.1kPa-1，最小检出限为1Pa，响应时间小于1s。
　　论文结合压力装置、传感器件、信号采集装置及振荡电路搭建了柔性压力传感器的动态检测系统。该系统可以有效地将传感器与振荡电路结合在一起，电容式传感器的响应电容值经过振荡电路转变为与之成反比的电压频率信号，其频率信号可以直接被 Keithley2700采集，此种方法使得电容式传感器的测试设备简单化，这种检测系统还具有成本低、转换精度高、响应速度快、工作稳定性好、抗干扰能力强等优点。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 柔性压力传感器的分类、材料及性能评价

1.3 国内外研究发展状况

1.4 柔性压力传感器的发展趋势

1.5 本论文意义及主要研究内容

1.6 论文创新点

第二章 银纳米线电极材料的制备以及表征

2.1 引言

2.2 银纳米线的制备方法

2.3 实验材料及设备

2.4 银纳米线的制备

2.5 物理性质表征

2.6 影响因素优化分析及表征

2.7 本章小结

第三章 柔性压力传感器的制备及其性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 测试原理及器件的性能测试

3.4 本章小结

第四章 柔性压力传感器的响应特性优化研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 微纳结构和平面结构的传感器测试与分析

4.4 探索性研究

4.5 本章小结

第五章 柔性压力传感器应用测试

5.1 传感器的应用测试

5.2 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果