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【6h】

基于石墨烯的表皮压力传感器的设计、制备与建模

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摘要

第一章绪论

1.1.1表皮电子器件的概念

1.1.2表皮电子器件的发展思路

1.1.3表皮电子器件的优势

1.2表皮压力传感器

1.2.1压力传感器的分类

1.2.2表皮压力传感器的研究现状

1.2.3表皮压力传感器的发展趋势

1.2.4表皮压力传感器其他方面的工作

1.2.5表皮压力传感器研究中存在的问题

1.3本章小结

1.4本论文研究目的与内容

参考文献

第二章激光直写还原石墨烯制备表皮压力传感器

2.1研究背景

2.2实验仪器

2.2.1激光直写设备

2.2.2压力传感器测试系统

2.3材料与方法

2.3.1氧化石墨烯合成

2.3.2 GO/PDMS薄膜制备

2.3.3器件制备

2.4结果与讨论

2.4.1激光直写还原石墨烯的表征

2.4.2器件形貌表征

2.4.3压力传感机理

2.4.4器件的性能表征

2.4.5器件的应用展示

2.5本章小结

参考文献

第三章激光辐照硅胶制备石墨烯及其压力传感器

3.1研究背景

3.2实验仪器

3.2.1激光光刻设备

3.2.2压力传感器测试系统

3.3材料与方法

3.3.1 PDMS薄膜制备

3.3.2器件制备

3.4结果与讨论

3.4.1 激光辐照直写PDMS制备石墨烯的表征

3.4.2器件形貌表征

3.4.3压力传感器件工作机理

3.4.4器件的压力传感性能表征

3.4.5器件应用展示

3.5本章小结

参考文献

第四章接触电导型压力传感器的理论模型

4.1 研究背景

4.2理论模型

4.2.1物理图像

4.2.2模型假设

4.2.3模型建立

4.2.4衬底厚度修正

4.3模型应用

4.3.1从AFM得到的高度累积分布函数仿真电导-压力曲线

4.3.2从微观几何结构仿真电导-压力曲线

4.3.3最理想的微观结构

4.4本章小结

参考文献

第五章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

5.2.1实际应用的技术方案

5.2.2后续可开展的研究工作

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

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摘要

随着可穿戴式设备的兴起,可以吸附皮肤测量人体生理信号的表皮传感器引起了人们广泛的关注。其中表皮压力传感器可以监测心率,是可穿戴式设备领域的一个研究热点。由于具有灵敏度高和响应时间快的优点,接触电阻式压力传感器在众多类型的器件中脱颖而出。但是,这种压力传感器线性工作范围窄的弱点,限制了它在心率监测领域的应用。如何保证器件的高灵敏度以及快速响应性能,同时又能扩展其线性工作范围,是该类器件应用于实时心率监测面临的挑战。人们普遍认为此类器件的压力响应取决于接触面的微观结构,所以解决问题的关键在于微观结构的设计。但是由于缺乏理论模型的指导,如何设计微观结构调节器件的灵敏度、线性工作范围等参数,仍是一个未解决的问题。为了解决以上问题,本博士论文利用激光直写技术,围绕接触电阻式表皮压力传感器的设计、制备和建模开展了一系列工作,主要内容如下: 在第一章中,我们简要介绍了表皮电子器件的特点和类型,然后综述了表皮压力传感器的研究进展,最后阐明了本论文的研究目标与内容。 在第二章中,我们设计并制造一种基于非对称双层导电结构的接触电阻式表皮压力传感器。该器件由两层结构组成:一层是叉指电极层,另一层是导电层。这两层都是由激光还原石墨烯构成的。器件的初始电阻取决于上下两层交叠的面积,可由叉指电极的长度、宽度和数量调节,进而通过初始电阻来调节器件的灵敏度和工作范围。基于上述架构和方法制备的压力传感器的灵敏度可达~2kPa-1,线性工作范围可至~200Pa,而且响应时间短至~0.15ms。此器件不仅能检测到手指的触摸和手腕的弯曲,而且能实时监测脉搏。 在第三章中,我们提出了一种通过激光辐照将聚二甲基硅氧烷(PDMS)直接转化为石墨烯的新方法,并且基于这种方法制备了高灵敏的接触电导式表皮压力传感器。拉曼测试结果表明激光辐照能够把PDMS表面转化为石墨烯。这种通过激光直写方式制备的石墨烯具有高导电性和优异的机械性能,因此可以直接用来制作压力传感器。所制备的器件具有超高的灵敏度(~480kPa-1)、快速的响应/恢复时间(2μs/3μs)和良好的循环稳定性(>4000周期)。此器件可以直接吸附在手腕的皮肤上监测脉搏。此外,我们还制作了一个7×7的压力传感器阵列来探测压力的空间分布,展示了其在电子皮肤领域的应用潜力。 在第四章中,我们基于高度累积分布函数建立了接触电导式压力传感器的理论模型。本模型综合考虑了接触面和衬底的微观结构对压力响应的影响。模型不仅可以从接触面的AFM高度数据直接计算出电导与压力的曲线,而且可以从微观结构的几何参数推导出电导与压力的关系。因此,这个简单的模型为通过改变接触面和衬底的微观结构来设计接触电导式压力传感器的性能参数提供了一个有力的工具。 在第五章中,我们总结了论文主要创新点和不足之处,并对未来可以开展的重要研究方向做了展望。

著录项

  • 作者

    朱芸松;

  • 作者单位

    中国科学技术大学;

  • 授予单位 中国科学技术大学;
  • 学科 凝聚态物理
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 王晓平;
  • 年度 2018
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类
  • 关键词

    石墨; 表皮; 压力传感器; 设计; 制备;

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