可控界面结构构筑高灵敏柔性压阻传感器及其性能研究

作     者：陈天骄 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖学良

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 

主      题：柔性压阻传感器 导电填料 织物纹理界面 双层波纹界面 传感性能 

摘      要：柔性压阻传感器因其传感性能优良、重复性能稳定以及制作工艺简便等特点,在柔性穿戴、智能服装及医疗保健等领域展现出巨大的应用潜力,近年来一直受到人们的关注。然而传统地通过单一填料和常规三明治结构构筑柔性压阻传感器逐渐遇到瓶颈,传感性能也难以进一步提升。因此,通过多导电填料协同作用和构建可控传感界面结构等多维度方式来进一步提升柔性压阻传感器的研究日趋活跃。本课题拟构筑传感性能优良、制作工序简便的高灵敏柔性压阻传感器。课题以热塑性聚氨酯（TPU）为柔性基底材料,导电性和生物相容性良好的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）:聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）、碳纳米管（CNTs）两种导电材料为填料,结合规律可控的界面结构设计,研制了新型结构化柔性压阻传感材料,并系统地研究了该柔性传感器的导电性能、压缩应力应变性能、传感性能及其在不同场景的实际应用潜力。主要研究内容及结果如下:（1）双导电填料复合薄膜的制备及其导电性能和传感性能研究:以TPU为柔性基底,结合PEDOT:PSS与CNTs两种导电填料,通过溶液混合法制备了柔性复合传感薄膜,实验证实双填料复合薄膜较单一填料薄膜具有更优的导电性能。其中,当PEDOT:PSS与CNTs含量比例为1:3时,复合薄膜表现出更优的综合传感性能,包括较高的灵敏度(-0.093 k Pa-1,0～2.5 k Pa)、较宽的传感范围（0～50 k Pa）、快速的响应时间（0.18 s）以及800次压缩循环内较为稳定的重复性能等。（2）基于织物纹理界面的复合薄膜制备及性能研究:以不锈钢纤维织物为模板,PDMS为反模板,通过两次复刻制备具有织物纹理界面结构的PEDOT:PSS/CNTs/TPU复合传感薄膜。结果表明,表面结构化复合薄膜较平整薄膜具有更高的压阻灵敏度,且双层结构化薄膜较单层结构化薄膜具有更高的压阻灵敏度。其中,表面“2上2下斜纹纹理双层薄膜传感器较表面平纹纹理双层薄膜传感器具有更高的灵敏度(-0.068 k Pa-1),更宽的传感范围（0～70 k Pa）,更快的响应时间（0.27 s）以及千次压缩循环内更优的重复性能。此外,更优的填料分散状态使复合薄膜的导电性能更加稳定,但薄膜灵敏度因导电网络更不易断裂而降低。（3）基于表面波形条纹的复合薄膜制备及性能研究:以微波纹亚克力板为模板,PDMS为反模板,制备具有波形条纹结构的PEDOT:PSS/CNTs/TPU复合薄膜,并通过多种叠合方式组装成双层结构的压阻传感器。结果表明,五种双层波纹界面结构传感器在初始压力下均表现为正压阻效应,而后随着压力的增大而转变为负压阻效应,且不同的叠合方式对于传感器的传感性能具有较大影响。其中,上下层条纹凸起和凸起对应叠合的传感器具有优异的负压阻传感响应(-0.046 k Pa-1),而上下层条纹交叉30°角叠合的传感器具有优异的正压阻传感响应(0.164 k Pa-1),且两者在千次压缩循环内均表现出优异的重复性能。（4）界面结构化柔性压阻传感器的应用研究:将界面结构化的柔性压阻传感器分别应用在各类压力监测场景,例如语音识别、生理信号监测、人体行为监测等。结果显示,电阻变化与被检测信号或行为之间存在规律的对应关系,验证了界面结构化压阻传感器在诸多领域的应用可行性。综上所述,本课题基于PEDOT:PSS与CNTs两类导电填料,通过调控两者含量比例,优化界面结构设计,构筑了高灵敏度TPU基柔性压阻传感材料。通过两种导电填料的协同作用,提升了压阻材料的导电性能及传感性能;同时,引入了规律的界面结构,成功提升了压阻薄膜的传感灵敏度;此外,研究了叠合方式对于双层结构化传感器灵敏度的影响;最后,通过多种应用场景实践证明了结构化压阻传感器的巨大应用潜力。因此,本课题的研究成果为新型高灵敏柔性压阻传感器的开发提供了新思路,也为柔性压阻传感器的实际应用提供了实践参考。