传统应力/应变传感器在灵敏度、响应时间、检测范围、稳定性及使用寿命等方面改良空间越来越小。新型应力/应变传感器要求器件具有柔性、延展性等特点。 此外,新型应力/应变传感器的性能、服役行为、成本等都是急需研究和亟待解决的。本论文以微纳技术为手段,从低维材料的开发与利用、器件的可控制备与性能优化出发,通过实验结果与理论分析结合,研制出了若干种新型应力/应变传感器,促进了智能可穿戴电子器件的发展与应用。 auts论文的主要研究工作包括以下六个方面:采用 ZnO(Zinc Oxide,氧化锌)纳米线与 MgO(Magnesium Oxide,氧化镁)隧穿层构建了高开关比压力传感器。通过水热法制得ZnO纳米线,原子层沉积技术制得MgO隧穿层。
器件开关比为7.2×105,灵敏度为7.1×104 gf-1,响应时间为128ms,检测范围为3.2到27.2gf。器件工作原理主要是基于ZnO的压电效应与MgO的隧穿效应共同作用。
胸片数据库
通过PoP(Pencil-on-Paper,"铅笔画纸上")构建了二维石墨片柔性纸基应变传感器。器件响
应时间为110ms,灵敏度为536,最小分辨应变为0.13%。
经10000次应变测试后,电阻漂移量为10%。器件主要工作原理是应变导致石墨片间的重叠面积、裂纹大小发生改变,进而引起传感器电阻变化。
柴油抗磨剂
通过镂版印刷法实现了大面积高性能二维石墨片柔性纸基应变传感器的快速制备。器件响应时间为22.3ms,灵敏度为804,最小分辨应变为0.038%。
经10000次应变测试后,电阻漂移量为2%。器件主要传感原理是应变导致二维石墨片薄膜中裂纹的形态发生改变,影响电子在薄膜中的传输路径,导致传感器电阻变化。
通过直流溅射法构建了金纳米颗粒防水可穿戴应变传感器。通过研究表面形貌对器件性能的影响,我们发现了表面微结构包括颗粒目数、绝对平均高度可以调控器件灵敏度。
器件具有>18000次的循环服役能力和<20ms的响应时间,防水能力为IPx7级(国际电工委员会防尘防水标准等级)。通过水热法制备了纤维型延展性应变传感器,建立了该类器件的理论传感模型。
器件响应时间为38ms,灵敏度为15.2,最小检测应变为1.8%。器件主要传感原理是ZnO纳米线间的微接触变化引起器件电阻变化。
光触媒滤网
该传感器具有是柔软、轻便、纤维状等特点。通过图案化技术制备了高灵敏度银纳米线延展性应变传感器。
硅胶模具制作方法
器件灵敏度相对无微结构的器件增大了 136倍,达到150000。具有>35000次的循环应变测试能力。
在智能可穿戴设备、电子皮肤等方面具有重要应用前景。本研究通过能带调控、表面微结构设计,制备了高开关比压力传感器、可剪切纸基应变传感器、自防水柔性应变传感器、高灵敏度延展性应变传感器,提出了一系列优化器件性能、提高器件稳定性、降低器件成本的新途径,为智能可穿戴电子器件进一步发展和应用奠定了坚实基础。
射频开关芯片
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