柔性力学传感器的结构设计、制备及性能研究

随着电子产品的快速发展,可穿戴电子设备受到了越来越多的关注。其中,柔性力学传感器由于其具有延展、可弯曲甚至折叠、便于携带等特点,在可穿戴电子、健康监测系统和智能机器人等领域起到了非常重要的作用。本研究主要围绕高性能柔性力学传感器的结构设计、制备及应用展开研究核心内容包括以下两个部分:(1)高灵敏柔性应变传感器的衬底拓扑结构设计及制备。灵敏度是柔性应变传感器的核心指标。为提升这一性能,本文从泊松比、应力分布等方面考量,提出一种聚合物衬底的双面结构设计方法,并结合有限元方法(FEA)实现不同衬底结构下的器件力学分布仿真及优化。并以仿真作为依据,制备出以聚乙烯亚胺/还原氧化石墨烯(PEI/rGO)为敏感层,具有不同衬底结构的柔性应变传感器。经实验证实,器件灵敏度较无结构衬底器件最高提升22倍,可实现发丝滑动、羽毛扫过等微弱信号的检测。理论及实验结果同时表明,灵敏度的提升主要归功于正面图案产生的局部应变分布增强、背面拉胀结构产生的应变集中分布和器件总体泊松比下降的协同作用。此外,由于拉胀结构的负泊松比特性,柔性应变传感器具备极强的抗冲击性。(2)多功能柔性压力传感织物设计、制备及应用。近几年,由于织物基力学传感器具备轻柔、透气、穿戴贴合度高等优势,成为人们关注的热点。多功能是织物力学传感器的重要发展趋势,也是未来智能可穿戴系统发展的重要机遇。本文制备了基于银纳米线(AgNWs)导电网络的柔性压力传感织物,并节能有效地将隔热、加热等特性集成到传感织物中,使其同时兼具压力传感、红外隔热、焦耳加热和PM颗粒物过滤四种功能。在传感功能方面,本文提出纤维/纱线/织物多尺度接触机理模型,并结合织物网孔隔层及三维支撑结构设计,实现高灵敏、宽量程的柔性压力传感织物的制备;在隔热方面,实现不同金属网络密度织物的可控制备,有效反射8-14μm人体红外辐射,并结合三维支撑结构设计,实现从-40°C至80°C的双向隔热性能;在加热方面,通过织物敏感层优化,获得优异的焦耳热效应及稳定性;利用金属网络致密结构和强表面吸附能力,PM_(2.5)过滤效率超过98%。本文所制备的多功能柔性压力传感织物有望应用于智能服装、人体监测、医疗保健等领域。