柔性力敏薄膜及陣列壓力傳感器的研究.pdf

1、柔性壓力傳感器是用來測量感知各種復雜表面的壓力實時變化的柔性傳感電子器件，一般由柔性襯底材料，柔性電極，柔性力敏薄膜組成，按照組合方式主要分為單點式壓力傳感器和陣列式壓力傳感器。單點式壓力傳感器主要針對點目標，可用于實時精確測量某一個單點微小位置的壓力變化情況，柔性陣列式壓力傳感器主要針對面目標，適用于檢測復雜物體表面所受到的壓力大小和壓力分布狀態(tài)。本論文針對構成壓力傳感器核心部分的柔性力敏薄膜進行了深入研究，設計制作了基于TPU(熱塑

2、性聚氨酯)和高導電炭黑復合材料的柔性力敏薄膜，并基于該柔性力敏薄膜設計制作了柔性單點壓力傳感器和陣列壓力傳感器。研究了改善壓力傳感器靈敏度、穩(wěn)定性、重復性、響應時間、抗蠕變性能等的工藝方法。然后設計制作了相應的采集調理電路，最后利用Labview測控軟件開發(fā)工具開發(fā)了相應的上位機軟件，實現(xiàn)了對傳感器信號的采集、標定、優(yōu)化、處理、存儲和顯示。
　　本論文首先探究了0-3構型的柔性力敏薄膜復合材料的導電機理，包括常用的導電復合材料加和

3、效應：滲流模型理論和隧道效應理論，以及導電復合材料乘法效應：壓阻效應（正壓阻效應和負壓阻效應），概況分析了力敏薄膜內部導電網(wǎng)絡的形成與破壞過程；然后對力敏薄膜的各種性能表征方法進行了介紹。
　　進一步的，通過具體實驗研究了柔性力敏薄膜的制備工藝過程，包括柔性基體材料的選擇，導電物質的選擇和其他納米改性材料的選擇，以及有機溶劑的選擇。本文實驗中采用的是熱塑性聚氨酯（TPU）作為基體材料，高導電炭黑作為導電物質，ITO納米顆粒作為改性

4、材料，用流延涂覆法制備力敏薄膜。研究了不同炭黑摻雜濃度下力敏薄膜的初始電阻變化，根據(jù)滲流模型理論找出該導電復合材料的滲流閾值為10％wt，滲流區(qū)域為10%wt-12%wt；然后在滲流區(qū)域附近制備了幾種不同摻雜濃度下的力敏薄膜并分別測試其壓阻性能，找出了TPU與高導電炭黑的最優(yōu)化配比濃度為12%wt；最后利用各種性能表征手段對力敏薄膜的表面形貌、靈敏系數(shù)、線性度、重復性、響應時間等性能參數(shù)進行了測試。為了改善導電材料在基體材料的分散效果和

5、抗蠕變性能，比較了摻雜ITO納米顆粒與SiO2納米顆粒對改善力敏薄膜重復性和一致性的影響。通過上述工作制備了性能良好的厚度為200μm的柔性力敏薄膜以及單點壓力傳感器、彎曲度應變傳感器和4×4陣列式壓力傳感器，靈敏度和響應時間（﹤100ms）都得到極大優(yōu)化，具備了對壓力變化實時動態(tài)監(jiān)測的能力。
　　最后分別設計制作了單點和陣列壓力傳感器的后端信號調理電路和上位機軟件，將力敏薄膜的電阻變化轉化為易于測量的電壓變化。單點壓力傳感器后端

6、電路利用反相運算放大器mcp6001將傳感器電阻變化轉化為電壓信號，經AVR單片機內置的模數(shù)器轉換后由串口發(fā)送到上位機進行數(shù)據(jù)處理和顯示；陣列壓力傳感器后端調理電路利用AVR單片機控制CD4051數(shù)字模擬開關實現(xiàn)了對陣列式壓力傳感器的行列掃描，將多點問題轉化為易于處理的單點問題，采集的電壓數(shù)據(jù)經串口發(fā)送到上位機進行數(shù)據(jù)處理和顯示。針對陣列電阻測量中不可避免的電阻交叉耦合問題，提出了通過改進傳感器結構來消除陣列壓力傳感器各傳感單元之間交叉