仿生微结构柔性压阻传感器设计及其性能研究

【摘要】：传统刚性压力传感器因缺少良好的柔韧性在集成度、微纳加工处理和在特定应用场所等方面具有局限性。为此,柔性传感器应运而生,柔性基底的微结构处理是提高其性能的有效途径。受生物仿生领域启发,当蜻蜓翅膀被触碰时能迅速做出反应离开原地,这说明蜻蜓翅膀上有着良好的传感能力。本文研究以蜻蜓翅膀为模板,使用石墨烯与纳米金属作为导电层材料,制备了具有仿生蜻蜓翅膀微结构柔性压力传感器,并对其进行压缩应变过程的数值分析。主要研究内容如下:(1)仿生微结构柔性传感器的制备。使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性基底,利用倒模法将蜻蜓翅膀微结构复刻到PDMS柔性基底上。将PDMS薄膜裁剪成一定大小的面积,分别使用喷涂石墨烯和磁控溅射纳米金属两种方法在PDMS基底表面制备导电层并组装微结构柔性传感器,使用扫描电子显微镜对其表征,同时搭建了力-电测试实验台。(2)仿生微结构柔性传感器性能研究。首先,对比了不同材料制备的导电层的电阻值,并通过对导电层的制备工艺进行优化,研究了导电层制备工艺优化前后对传感器稳定性的影响。其次,研究了传感器灵敏度与石墨烯浓度和PDMS基底厚度之间的关系,获得了制备柔性传感器的合适参数与条件。最后,对传感器的灵敏度、可靠性、响应时间、超低压检测范围、稳定性和实际应用等性能指标进行测试。结果表明:向石墨烯中加入聚氨酯和对PDMS表面进行亲水化处理能够提高传感器的稳定性。传感器灵敏度随石墨烯浓度的增加先增大后减小,随PDMS厚度的增加而减小。传感器具有0.152k Pa~(-1)的灵敏度,线性响应范围为0-4k Pa,具有83ms的快速响应时间和可靠的稳定性,能够检测手指弯曲与脉搏跳动等压力信号。(3)仿生微结构柔性传感器压缩应变的数值模拟。基于结构力学方程和静电方程,使用COMSOL仿真软件,模拟研究了在有无电场下,不同PDMS厚度、微结构尺寸以及电压对微结构的应变影响。结果表明:单一尺寸微结构应变随基底厚度的增加而减小,且电场作用下微结构应变均大于无电场作用。微结构应变随着微结构间距的增加而增大。尾-尾微结构应变最大,根-尾微结构应变最小。单一尺寸微结构应变受电压变化影响小于组合尺寸微结构,且几乎不受电压变化影响。组合尺寸模型产生尺寸效应导致微结构整体抗变形能力不同于单一尺寸模型,同时机械载荷和电载荷产生电场集中现象更明显。