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(fù)雜表面的壓力實(shí)時(shí)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(diǎn)式壓力傳感器和陣列式壓力傳感器。單點(diǎn)式壓力傳感器主要針對點(diǎn)目標(biāo)，可用于實(shí)時(shí)精確測量某一個(gè)單點(diǎn)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(biāo)，適用于檢測復(fù)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(gòu)成壓力傳感器核心部分的柔性力敏薄膜進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)制作了基于TPU(熱塑

2、性聚氨酯)和高導(dǎo)電炭黑復(fù)合材料的柔性力敏薄膜，并基于該柔性力敏薄膜設(shè)計(jì)制作了柔性單點(diǎn)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(fù)性、響應(yīng)時(shí)間、抗蠕變性能等的工藝方法。然后設(shè)計(jì)制作了相應(yīng)的采集調(diào)理電路，最后利用Labview測控軟件開發(fā)工具開發(fā)了相應(yīng)的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了對傳感器信號的采集、標(biāo)定、優(yōu)化、處理、存儲和顯示。
　　本論文首先探究了0-3構(gòu)型的柔性力敏薄膜復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理，包括常用的導(dǎo)電復(fù)合材料加和

3、效應(yīng)：滲流模型理論和隧道效應(yīng)理論，以及導(dǎo)電復(fù)合材料乘法效應(yīng)：壓阻效應(yīng)（正壓阻效應(yīng)和負(fù)壓阻效應(yīng)），概況分析了力敏薄膜內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行了介紹。
　　進(jìn)一步的，通過具體實(shí)驗(yàn)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(dǎo)電物質(zhì)的選擇和其他納米改性材料的選擇，以及有機(jī)溶劑的選擇。本文實(shí)驗(yàn)中采用的是熱塑性聚氨酯（TPU）作為基體材料，高導(dǎo)電炭黑作為導(dǎo)電物質(zhì)，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(dǎo)電復(fù)合材料的滲流閾值為10％wt，滲流區(qū)域?yàn)?0%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(dǎo)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(fù)性、響應(yīng)時(shí)間等性能參數(shù)進(jìn)行了測試。為了改善導(dǎo)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(fù)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(diǎn)壓力傳感器、彎曲度應(yīng)變傳感器和4×4陣列式壓力傳感器，靈敏度和響應(yīng)時(shí)間（﹤100ms）都得到極大優(yōu)化，具備了對壓力變化實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測的能力。
　　最后分別設(shè)計(jì)制作了單點(diǎn)和陣列壓力傳感器的后端信號調(diào)理電路和上位機(jī)軟件，將力敏薄膜的電阻變化轉(zhuǎn)化為易于測量的電壓變化。單點(diǎn)壓力傳感器后端

6、電路利用反相運(yùn)算放大器mcp6001將傳感器電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)AVR單片機(jī)內(nèi)置的模數(shù)器轉(zhuǎn)換后由串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示；陣列壓力傳感器后端調(diào)理電路利用AVR單片機(jī)控制CD4051數(shù)字模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)了對陣列式壓力傳感器的行列掃描，將多點(diǎn)問題轉(zhuǎn)化為易于處理的單點(diǎn)問題，采集的電壓數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)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(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)來消除陣列壓力傳感器各傳感單元之間交叉