【摘要】：具有感知功能的傳感器和致動器是與人們生活最密切相關的一類器件,它們的共同特點就是能夠感知壓力或電等刺激信號并實現(xiàn)信號間的相互轉(zhuǎn)換。由于在實際生活和工業(yè)生產(chǎn)中,電信號的檢測與輸出手段是最成熟的,且力學信號也是無處不在的,故研究力-電間的相互轉(zhuǎn)換是十分必要的。本文以柔性智能傳感器和致動器為研究對象,針對目前它們在制作方法和應用上存在的一些問題進行探討。本文主要內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:1.通過改變活性材料內(nèi)部結構構建了力-電轉(zhuǎn)換的傳感器。采用一種商業(yè)化的重量輕,成本低,可壓縮的原材料和簡便的制造技術來制備傳感器件。通過簡單的碳化處理把商業(yè)化的三聚氰胺泡沫轉(zhuǎn)換為石墨化、內(nèi)部纖維部分斷裂的三維網(wǎng)絡結構的彈性碳泡沫。與最近幾年出現(xiàn)的三維結構傳感器相比,它不但避免了制作傳感材料工序復雜和材料昂貴的問題,而且還克服了器件反應遲鈍、工作狀態(tài)不穩(wěn)定和壓強低于10 kPa時工作困難的缺點。我們得到的傳感器的靈敏度高達100.29 kPa~(-1),在11000次重復施壓-解壓測試中展示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。它可以清晰地檢測到大約低至3 Pa的壓強(與這個壓強相對應的施壓物體的質(zhì)量約為30.4 mg)。2.通過改變活性材料與電極之間的接觸構建了力-電轉(zhuǎn)換的傳感器。采用具有褶皺的石墨烯膜作為導電材料和水溶性的PVA納米線作為隔離物來改善傳感器的性能。從活性材料和結構設計這兩個影響壓阻傳感器性能的主要因素出發(fā),通過表面粗糙的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板得到了作為導電材料的褶皺石墨烯膜,使用靜電紡絲制備技術得到的PVA納米線作為隔離層調(diào)節(jié)傳感器的結構。這不但避免了傳統(tǒng)光刻工藝的工序復雜、成本高、耗時長等缺點,而且改善了由于微觀結構均勻,在一定載荷下導致變形很容易達到飽和的一般隔離層缺點。獲得了靈敏度高達28.34kPa~(-1)的傳感器,能夠識別出重量約22.4 mg(2.24 Pa)的輕質(zhì)大米,經(jīng)過6000次反復施壓-解壓循環(huán)測試后,顯示出優(yōu)異的耐久性和可靠性,可以檢測微弱的脈搏跳動和監(jiān)測人類的各種運動行為。3.通過構建MXene和LDPE雙層膜結構實現(xiàn)了電-力轉(zhuǎn)換的致動器。采用熱膨脹系數(shù)差別較大的MXene和低密度聚乙烯(LDPE)兩種材料制備高性能的致動器。MXene是一種新型二維材料,具有良好的親水性、優(yōu)異的導電性、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,已經(jīng)在各個領域取得了許多成果。然而,MXene材料在致動器中的使用則很少被提及。我們通過簡單的涂覆方法得到了MXene和LDPE雙層膜結構的致動器。在低電壓的刺激下能夠快速響應,在熱能的刺激下能夠舉起相當于其自身重量6.4倍的負載,在光照刺激下它能夠負重前行。該工作克服了一般致動器運行時所需的電壓或溫度過高而導致資源浪費的缺點。此致動器可以很容易地與其它器件一起集成到電路中,在以后的集成化器件中具有很大的應用前景。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212
【圖文】：

多樣的刺激會通過感官給我們的日常生活們能夠精確地對這些刺激進行感知，而具這些刺激的最好選擇。這類感知器件的共換。根據(jù) 2016 年美國國防部長辦公室發(fā)布市場分析和預測：2015 年，傳感器和致動銷售額的歷史新高。同時該報告預測：越的大容量設備中，例如物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)以百計年，在物聯(lián)網(wǎng)的幫助下，傳感器和致動器的(CAGR）增長。另外該報告指出：半自動汽新型應用將是未來市場增長的首要驅(qū)動力可彎曲和可折疊等優(yōu)點無疑為這些新型應

中 科 技 大 學 博 士 學 位 論陣列，薄膜 厚度：1-1000 nm 金屬，半導晶格） 三個維度都在幾個 nm 尺度 金屬，半導，幾個有記錄的例子表明，技術已經(jīng)徹底改變了人刷機，技術革命在很大程度上提高了我們的生活質(zhì)納米技術的發(fā)展有望影響幾乎所有領域(圖 1.2）[36]革命。納米技術的核心是利用各種具有優(yōu)異功能的的不同維度的納米材料[35]。納米材料在尺度上介于質(zhì)也與兩者有十分明顯的不同。適當?shù)乜刂萍{米尺以及新產(chǎn)品、新設備和新技術。

技 大 學 博 士 學位差，所以壓阻材料需要由外部兩端施加電壓，由于其幾何形狀變化而變化。這就意味著流過橫械輸入信號的變化而變化）。壓傳感器”。當然，這些傳感器不時它們就不需要外部供應電壓源阻傳感器能夠被用來直接檢測動移、變形、質(zhì)量、壓力、流量。不同的材料，如導電彈性體、參與壓阻傳感器的制造。

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本文編號：2772016