基于叶脉间隔物的宽线性范围高灵敏度的压力传感器

摘要

柔性压力传感器因其在未来机器人和可穿戴设备中的应用前景而受到广泛关注。宽线性范围高灵敏度的压力传感器对线性电流信号输出不需要复杂的处理，大大提高了器件的小型化程度，降低了功耗。微结构与导电性填料和绝缘基质的复合材料是制备传感器常用的结构设计，微结构通常是通过模板制备尺寸比较小且均匀，在负载压力时易于达到饱和状态。而复合材料中的电性能和机械性能是相互依赖的。例如，当试图通过增加导电填料如金属纳米颗粒，炭黑和碳纳米管的体积比来增加复合材料的导电性时，复合材料的机械刚度显著增加。由于电性能和机械特性的这种耦合调谐效应，基于复合材料的柔性压力传感器也通常表现出灵敏度和线性区域之间的性能折衷。目前，现在很多研究目前致力于两个方向的改进，一种是制造压力传感器所必需的导电活性材料；另一种是传感器的结构，可以调整基底上电极与活性材料之间的接触电阻。　　在本文中通过简单的锂离子插层法将二维材料二硫化钼剥离为高导电和亲水性的1T相二硫化钼，通过拉曼光谱(Raman)，X射线衍射仪(XRD)，高倍透射电镜(HR-TEM)，选定区域电子衍射(SAED)等表征手段表征1T相二硫化钼。同时，通过简单的溶解盐的方法制备柔性PDMS多孔骨架，亲水性的1T相二硫化钼作为导电材料，通过简单的浸泡法包裹在多孔PDMS骨架上，最后通过桂花树的叶脉作为间隔与带有电极的柔性基底组装在一起成为柔性压力传感器。我们探索了传感器的各种应用。得出如下结论：　　(1)本文将制备柔性压力传感器的活性导电材料转向过渡金属二硫化物，并且通过实验证明了二维材料1T相二硫化钼在压力传感器中的应用是可行的，可以用于下一代电子皮肤和人工智能。1T相二硫化钼具有优异的机械特性和物理特性，和一维材料相比与柔性基板和多孔结构结合的界面足够牢固，不需要复杂的工艺处理来提升传感器的稳定性。和目前广泛被研究的二维材料石墨烯相比具有亲水性和高导电性，制备压力传感器中不需要复杂的还原氧化处理过程，这为传感器的实际开发利用提供了巨大的潜在可能。　　(2)发展了一种简单且成本有效的结构设计方法，通过简单的沾涂法使1T-MoS2纳米片包裹在多孔PDMS网络上并作为柔性活性层，异质分层微结构叶脉作为活性导电层和电极对之间的间隔物。首先，叶脉具有分层的微网络结构。当施加外部压力时，导电层和电极之间的瞬时接触面积发生变化，从而产生宽的检测范围。其次，天然叶脉提供了一种有趣的微结构策略，不依赖于制作图案结构的复杂且昂贵的技术。　　(3)基于叶脉作为间隔物和3D高导电1T-MoS2网络作为活性层的结构设计，压力传感器在宽压力范围内显示出高灵敏度(150kPa-1小于1kPa，1036kPa-1适用于1-23kPa)。超低压力检测限(6.2 Pa)，10000次循环的高稳定性和快速响应时间(<50ms)，对应于人类指尖的响应时间30至50ms。制备出的高性能的压力传感器可以成功监测人体生理信号、微小肌肉运动以及人体运动。更重要的是，传感器用于检测不同的振动，包括水压测试和鱼类游泳。结果证明了在潜水安全和深海环境研究中的潜在应用。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 柔性压力传感器的概述

1.1.1 柔性压力传感器的定义

1.1.2 柔性压力传感器的分类

1.1.3 柔性压力传感器的关键参数

1.2 柔性传感器的应用

1.2.1 电子皮肤

1.2.2 可穿戴设备

1.2.3 植入传感器设备

1.3 压阻式压力传感器

1.3.1 压阻式压力传感器的研究进展

1.3.2 电阻式压力传感器的结构

1.3.3 电阻式压力传感器的材料

1.4 本文研究的意义及内容

1.4.1 研究背景

1.4.2 研究意义

1.4.3 研究内容

第 2 章 传感器的制备

2.1 引言

2.2 实验材料及方法

2.2.1 实验试剂及仪器

2.2.2 1T 相二硫化钼的制备方法和表征

2.2.3 传感器的制备方法

2.3 制备传感器的条件探索

2.3.1 不同溶剂对传感器性能的影响

2.3.2 其他条件对传感器性能的影响

2.4 柔性压力传感器的性能测试

2.4.1 测试和计算方法

2.4.2 压力传感器的关键参数

2.4.3 压力传感器的其他性能测试

2.4.4传感器的性能与其他工作对比

2.5 本章小结

第 3 章 传感器的简单测试和应用

3.1 引言

3.2 实验材料及方法

3.2.1 实验试剂及仪器

3.2.2 测试方法

3.2.3 简单的实际测试

3.3压力传感器的传感机理

3.4 柔性压力传感器的应用

3.4.1 脉搏测试

3.4.2 微小肌肉运动的测试

3.4.3 人体运动测试

3.4.4 压力传感器的潜在应用可能

3.5 本章小结

结 论

参 考 文 献

附录 攻读硕士期间所完成的学术论文目录

致 谢