基于摩擦纳米发电机的自供电织物压力传感阵列

摘要

基于柔性压力传感阵列的图形化成像技术在运动监测、人工皮肤和人机交互等领域有广泛应用。传统柔性压力传感阵列大都以高分子薄膜为基底，采用平面马赛克结构，器件与人体体表等复杂界面的贴合度低，“柔软度”不能满足人体穿戴需求。此外，器件制备大多沿用传统PCB电路使用的微刻蚀工艺，存在成本高、工艺复杂、不易大面积生产等问题。近年来，基于摩擦纳米发电效应的新型纤维及织物结构压力传感器受到了广泛关注，其具有灵敏度高、结构灵活、成本低、接近人体穿衣习惯等特点。但是，纤维及织物结构传感器采用了不平整的交织结构器件单元，难以通过传统PCB电路加工工艺进行微刻蚀，并且纤维电极的功能层组装在曲面上不利于光刻。国内外目前尚无关于这类织物压力传感阵列的图形化成像技术研究报道。　　本文基于摩擦纳米发电效应，在柔性高分子纤维上组装纳米阵列复合纤维电极，然后利用纤维电极的经纬式交错节点来构筑压力传感单元，在新型织纹结构设计的基础上，通过易于大规模化的器件梭织组装技术，成功制备了一种新型织物结构柔性压力传感器件阵列。其在穿戴式健康监测、人工智能、仿生皮肤等领域有潜在的应用价值。　　研究主要包括以下几个方面：　　①制备了具有摩擦纳米发电效应的新型柔性纤维电极。研究在镀覆金属铜的高分子纤维表面喷涂PTFE膜层，然后通过退火使其自组织形成纳米球阵列。研究系统考察了电极基底直径、PTFE 膜层厚度、PTFE 退火成型温度等因素对电极性能的影响。经过优化，纤维电极的输出电压最高可达900mV。　　②设计并组装了自供电压力传感织物阵列。研究利用纤维电极的经纬交错节点来构筑压力传感单元，通过织纹结构设计，克服了器件单元之间的串行干扰问题。在此基础上，采用飞梭编织法，成功组装出了压力传感织物阵列，并优化了织纹结构、电极间距、间隔线高度和间隔线材质等结构因素。研究发现，器件节点的电信号输出与外界压力大小成正比，响应系数可达0.0596V/KPa；空间分辨率可达125DPI。即使在弯曲角度达到120°时，也可以正常输出。　　③合作开发了基于太阳能采储发电纤维与被动式压感纤维集成的自供电可拉伸压力传感器。研究通过纤维结构光伏电池、纤维结构二次储能电池以及压阻式纤维传感器的集成，构建了自供电柔性可拉伸压力传感器的原型。器件拉伸比可达到 180％，相对电阻可达到 90。可满足人体可穿戴静态和动态传感。这类集成传感器为柔性自供电压力传感器的构筑提供了另一种思路。

目录

1 绪 论

1.1 前言

1.2 压力传感成像技术

1.2.1 压力传感成像技术简介及其应用

1.2.2 压力传感器的发展及成像技术面临的瓶颈

1.3.1 压阻式压力传感器

1.3.2 电容式压力传感器

1.3.3 压电式压力传感器

1.3.4 摩擦电式压力传感器

1.4.1 摩擦纳米发电器件的原理及类型

1.4.2 摩擦纳米发电器件常用材料

1.4.3 摩擦纳米发电器件的应用

1.5.1 研究内容

1.5.2 创新点

2 实验部分

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验试剂

2.1.3 实验仪器

2.2 摩擦纳米发电单元的构建

2.2.1 导电纤维的制备

2.2.2 基于PTFE纳米薄膜沉积的复合电极的制备及摩擦纳米发电单元的构建

2.3 基于摩擦纳米发电效应的压力传感织物阵列的制备

2.4.1 高分子薄膜的结构形貌表征

2.4.2 织物的电性能测试

3 纤维摩擦纳米发电机单元的构建

3.1 引言

3.2 纤维摩擦纳米发电机阳极的制备

3.3 纤维摩擦纳米发电机阴极制备工艺优化

3.3.1 复合电极基底直径大小对摩擦电信号的影响

3.3.2 摩擦层厚度对摩擦电信号的影响

3.3.3 高分子薄膜自组装温度对摩擦电信号的影响

3.4 摩擦纳米发电机的组装及其性能研究

3.4.1 摩擦纳米发电机电极组装

3.4.2 随压力大小响应情况

3.4.3 随压力频率响应情况

3.4.4 摩擦纳米发电单元的稳定性表征

3.5 本章小结

4 基于织物结构的柔性压力传感阵列的研究

4.1 引言

4.2 摩擦纳米传感织物结构优化

4.2.1 不同编织结构对传感信噪比的影响

4.2.2 不同编织电极间距对传感信噪比的影响

4.2.3 不同间隔线材质对传感输出电压的影响

4.2.4 不同间隔线直径对输出电压的影响

4.3 织物传感阵列的应用性能

4.3.1 不同弯曲角度对其传感性能的影响

4.3.2 不同弯曲次数对其传感影响

4.3.3 成像性能

4.4 传感织物的自供电性能

4.5 本章小结

5 自供电可拉伸压力传感单元的集成

5.1 柔性纤维状太阳能电池制备工艺对其性能的影响

5.1.1 电化学镀锰工艺对太阳能电池性能的影响

5.1.2 ZnO纳米阵列生长工艺对太阳能电池性能的影响

5.2 纤维太阳能电池与纤维储能电池的集成

5.2.1 不同光强下太阳能电池对储能电池的充电曲线

5.2.2 不同电流下储能电池的放电曲线

5.3 能量采储单元与压力传感器的集成

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间的科研成果

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢