毕业论文课题相关文献综述
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{title}压力传感器是用来检测两个接触面之间表面作用力大小的电子器件。随着科学技术的快速发展，人们工作的环境更加趋于复杂化和多样化，对电子器件在柔韧性、便携性、可穿戴性等方面的要求越来越高。传统的压力传感器由于大多以半导体刚性材料为主，柔韧性较差，已经很难适应下一代传感器在柔性和便捷性等方面的需求，其应用受到了限制。与传统的压力传感器相比，柔性压力传感器克服了易脆的缺点，并且具有尺寸小、重量轻、功耗低、易于集成并且耐恶劣工作环境等优点，成为了许多科研工作者的研究点，并在很多领域被广泛应用，比如健康监测、电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品等。在新一代柔性材料和传感技术的发展前提下，适应性良好、便携性高、灵敏度精确、稳定性好、响应度高、成本低廉等逐步成为柔性压力传感器的发展潮流。但是，想要实现低成本制造分辨率高、灵敏度精确、响应迅速和可以进行复杂信号检测的柔性传感器依然是很难攻克的。因此，本课题拟以铁电纳米粒子，碳纳米管以及PDMS为原材料制备复合电介质并对电介质的拓扑结构展开设计，从而提高柔性压力传感器的灵敏度并拓展测量压力范围。
一、柔性压力传感器的分类
根据传感器原理不同，柔性压力传感器主要可以分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器。
电阻式传感器：电阻式传感器的基本工作原理是将被测的变化转化为传感器电阻值的变化，柔性的电阻式传感器主要分为应变式和压阻式，应变式的传感器主要是通过将弹性的导体进行拉伸，在拉伸过程中结构体发生形变使其横截面减小，导电区域变长，从而导致其电阻值发生变化。压阻式的传感器主要是通过在导体上构筑微结构，在施加压力时，导体的导电通路发生了改变从而导致电阻值发生改变。
电容式传感器：其通过施加拉力或压力来改变电容值的变化，通常为变极距型的，通过极板间的距离变化引起电容量的变化，通常选用高弹性的电介层，或者是将电介层设计成微结构，使其有非常好的弹性和恢复能力，从而提高传感器的灵敏度，实现电容式传感器的关键在于制备具有可拉伸性的电极材料，用碳纳米管和银纳米线制备的弹性导体可制备出高性能的可拉伸导体。
压电式传感器：压电式传感器是基于压电效应的传感器。其可以将电能转换成机械能，又可以将机械能转换成电能。某些具有压电效应的节点材料在受力变形时，两表面产生了正负相反的电荷，外力撤销后又能重新回到不带电状态，把机械能转化成了电能，也可以通过测试电流的变化量来检测压力的大小。聚偏氟乙烯是一种常见的压电材料，因其具有非常好的柔性和高的压电系数被广泛用于柔性压电式压力传感器。
三类传感器的优缺点如下表所示，可以看出每种传感器都有其优缺点，并没有一种完全满足应力传感器的所有要求，所以要求我们根据实际应用需求来设计传感器。
类型 | 优点 | 缺点 |
电阻式 | 工艺简单、成本低、抗干扰能力强、容易实现小尺寸、可大形变 | 灵敏度低、稳定性差、迟滞大 |
电容式 | 灵敏度高、迟滞小、动态范围大、动态响应好、温度稳定性好 | 容受外界干扰产生不稳定现象、有寄生电容的影响 |
压电式 | 灵敏度高、响应速度快 | 空间分辨率低、仅适用于动态测量 |
二、 本课题的研究现状
1.国内外柔性电容式压力传感器的研究现状
美国斯坦福大学鲍哲南教授等人在2010年将介电层微结构化制备了高灵敏的电容式压力传感器。其首先是将液态的PDMS倾注于倒金字塔形状的硅片模板中，固化后从模板中剥离得到带有微结构的PDMS作为介电层，蒸镀了ITO的PET作为电极层。带有微结构的PDMS具有非常好的弹性并且形变恢复快，故制作出的电容式压力传感器有高的灵敏度，高达0.55kPa-1，并且其对微小的外力有非常好的响应，其能感知落在传感器表面的苍蝇（20mg）。这种高灵敏度的传感器将来可以被用于假肢、柔性触摸屏和机器人皮肤。
2011年，鲍哲南研究小组继制备了高灵敏度的柔性电子皮肤后又研发出了透明和可拉伸的电子皮肤，其首先将单壁碳纳米喷射在PDMS表面，通过纵向和横向拉伸使碳纳米管形成波纹状，使碳纳米管在变形时保持好的稳定性，然后以高弹性的共聚酯为介电层，两个带碳纳米管整列的电极面对面层压制备了压力和拉伸电容式传感器，其灵敏度呈非常好的线性，，透明、可拉伸传感器的出现使得电子皮肤在模仿人类皮肤上又前进了一步。
韩国首尔大学Kahp-Yang Suh等人在2012年通过构建纳米纤维相互咬合的结构制备了高灵敏度的应力传感器，其能检测出压力、剪切力和扭转力。其首先用紫外固化的方式制备了聚氨酯丙烯酸酯纳米纤维，再将Pt沉积在纳米纤维上，PDMS作为柔性衬底，两层纳米纤维阵列通过范德华力互锁在一起。其在三种不同的机械负荷下表现出了不同的电阻率。这种像人体皮肤一样能感知不同机械变形的柔性传感器将来在假肢、可穿戴检测设备及植入设备方面有着潜在的应用。
2014年，中国科学院苏州纳米研究所张珽等人报道了一种高灵敏度、低检测极限和高稳定性的柔性仿生电子皮肤，其首先通过用 PDMS 复制丝绸的微结构，再将碳纳米管沉积在 PDMS 上制作成微结构电极，最后将两块电极面对面组合在一起构成电阻式压力传感器，传感器的灵敏度高达 1.80 kPa-1，并讨论了不同密度微结构对传感器灵敏度的影响，发现高密度的微结构有更高的灵敏度。其检测的最小压力为 0.6Pa，能感受到一只蚂蚁（10mg）的重量。课题组将传感器应用于脉搏波形的分析和监测不同发音时喉咙产生的不同震动变化分析，初步实现了人体不同生理状态和语音识别的检测，这将推进可穿戴设备在人体健康监测和语音辅助输出系统方面的应用。
2.柔性电容式压力传感器的发展趋势
柔性压力传感器能够快速、高效地感应到周围环境中微弱压力的变化，解决了压力传感器柔性差、灵敏度低、稳定性弱、响应时间慢等问题，使其在健康检测、仿真皮肤、仿生医药、可穿戴智能电子产品等众多领域中的应用前景愈发广阔。柔性电子皮肤、柔性显示器、智能机器人和可折叠手机等终将由概念变成现实，逐步走向大众化。但是，柔性压力传感器在当前的工艺水平下，制备成本高昂、工作条件苛刻、工作周期短等问题。因此，在设计和开发具有高性能、多功能的柔性传感材料的基础上，制备高性能柔性压力传感器的方法也亟需探索，用以提高传感器的灵敏度、稳定性、分辨率和响应时间等性能。柔性压力传感器的组装、排列、集成和封装技术仍有可观的进步空间。
二、柔性电容式压力传感器
1.基本原理
平行板电容器的经典的电容公式为 C=εS/d，其中 ε 为两极板间的介电常数，S 为两极板重合的面积，d 为两极板之间的距离，其中一个参数的变化会引起电容量的改变，所以可以选择一个变量用于输出电容值的测量。柔性电容式传感器一般为极距变化型和介质变化型，典型的传感器由上下电极、绝缘介电层和柔性衬底构成，当受压时，柔性衬底会发生一定的变形，从而改变上下电极间的距离，最终使输出电容发生变化。我们可以通过观察电容值来评测施加力的大小。
灵敏度是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值，这里灵敏度用Sc表示，计算公式如下：
这里C0和C分别表示应力作用前后的电容值，P表示施加的应力。
柔性电容式压力传感器的灵敏度特性主要取决于介质层的等效电容值。对于不存在微结构的器件来说，若忽略材料在形变过程中对介电常数带来的微小影响，那么器件电容值的改变只是取决于介质层的厚度变化。因此，没有微结构的传感器它们的厚度变化几乎可以忽略，其结果是直接导致了器件的电容值变化受到限制。所以，可以通过在柔性聚合物中填充功能粉末材料（如导电金属颗粒，银纳米线等），提高复合材料的介电常数。此外，也可以从电介质的拓扑结构上入手，通过优化电介质的拓扑结构拓宽柔性电容式压力传感器的测量范围并且提高测量灵敏度。
2.电介层与复合电介质
电介层在电容式柔性传感器中不仅要绝缘，而且还需要高度的弹性。电容式传感器的灵敏度与弹性电介层息息相关，使用高柔韧性和黏弹性的电介质可以提高传感器件的性能。PDMS具有非常良好的机械行为和均匀的各向同性，是电介层的理想材料。PDMS在传统三明治型电容器和柔性电子场效应晶体管中作为电介层有着广泛的应用。
聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane）是一种高分子有机硅化合物，是最广泛使用的硅为基础的有机聚合物材料。
液态时的二甲基硅氧烷为一黏稠液体，称做硅油，是一种具有不同聚合度链状结构的有机硅氧烷混合物，其端基和侧基全为烃基（如甲基、乙基、苯基等）。一般的硅油为无色、无味、无毒、不易挥发的液体。
固态的二甲基硅氧烷为一种硅胶，无毒、疏水性和防水性，惰性物质，且为非易燃性、透明弹性体。二甲基硅氧烷的制程简便且快速，材料成本远低于硅晶圆，且其透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及因为低杨氏模量导致的结构高弹性等。
本课题中将铁电纳米粒子，碳纳米管以及PDMS为原材料通过一定比例的混合形成复合电介质，从而提高柔性电容式压力传感器的灵敏度。
四、研究内容
1.了解柔性压力传感器的分类，简要介绍柔性电容式压力传感器发展历程；
2.查阅大量资料，理解柔性电容式压力传感器的基本原理，确定总体设计方案；
3.对电介质的复合材料进行分析，确定制备方案；
4.对电介质的拓扑结构进行分析，确定柔性电容式压力传感器的结构设计；
5.利用软件对这种结构进行分析，论证其可行性；
6.制备实物，测量其实际特性。
五、过程及仿真
1．仔细研究现有的柔性电容式压力传感器结构及其工作原理。
2．分析不同设计方案的柔性电容式压力传感器结构的优缺点，在现有的基础上加以改善，提出设计方案。
3．对设计进行有限元分析，分析其可行性和实际效果，如果不行对其进行改进。
4．得出改进后的制备方案。
六、参考文献
[1]梅海霞． 基于压敏硅橡胶的柔性压力传感器及其阵列的研究［D］． 长春: 吉林大学，2016．
[2]刘旭，贾昭，王博． PVDF 柔性传感器的制备研究［J］．重庆理工大学学报: 自然科学版，2015，29(4) : 40-43．
[3]杨海艳. 柔性压力传感器研究进展[D]. 应用化工，2018，47（12）: 2701-2703.
[4]蔡乐,周维亚,解思深,等. 碳纳米管柔性应变传感器的研究[J]. 物理知识，2014，26（2）：24-28.
[5]胡向东,刘金城,余成波,等. 传感器与检测技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2013.
[6]ZHENG Y，LI Y，LI Z，et al. The effect of filler dimensionality on the electromechanical performance of polydimethylsiloxane based conductive nanocomposites for flexible strain sensors[J]. Composites Science Technology，2017，139:64-73.
[7]LIN T Y，HA D，VRIES W N D，et al.Ultra-thin tag fabrication and sensing technique using third harmonic for implantable wireless sensors[C]//Microwave Symposium. USA:IEEE，2011:1-4.
[8]束逸.基于新型微纳结构的柔性压力传感器基础研究 [D].北京：清华大学，2015.
[9]侯玉群.柔性电容式应力传感器及其灵敏度影响因素研究 [D].北京：北京印刷学院，2014.
[10]金欣.基于聚二甲基硅氧烷柔性可穿戴传感器研究进展 [J].材料工程，2018（11）：13-24.
[11]陆云龙. 柔性电容式传感器的设计、制备和应用研究[D]. 电子科技大学, 2017.
[12]李俊鹏. 超柔性PDMS复合材料及其柔性压力传感器应用研究[D]. 电子科技大学, 2018.
[13]W. Yang, Dr. N.-W. Li, Z. Yuan, Dr. X. Du, R. Cao, Prof. W. Xu, Prof. Z. L. Wang, Prof. C. Li. A Breathable and Screen-Printed Pressure Sensor Based on Nanofiber Membranes for Electronic Skins [J]. Adv. Mater. Technol. 2017, (1700241) : 1-7.
[14]顾志荣, 秦会斌. 柔性压力传感器设计与实现[J]. 传感器与微系统, 2018,37 (10):114-116.
[15]杜青. 基于PDMS复合介电层的电容式柔性压力传感器研究 [D]. 太原理工大学, 2018.
压力传感器是用来检测两个接触面之间表面作用力大小的电子器件。随着科学技术的快速发展，人们工作的环境更加趋于复杂化和多样化，对电子器件在柔韧性、便携性、可穿戴性等方面的要求越来越高。传统的压力传感器由于大多以半导体刚性材料为主，柔韧性较差，已经很难适应下一代传感器在柔性和便捷性等方面的需求，其应用受到了限制。与传统的压力传感器相比，柔性压力传感器克服了易脆的缺点，并且具有尺寸小、重量轻、功耗低、易于集成并且耐恶劣工作环境等优点，成为了许多科研工作者的研究点，并在很多领域被广泛应用，比如健康监测、电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品等。在新一代柔性材料和传感技术的发展前提下，适应性良好、便携性高、灵敏度精确、稳定性好、响应度高、成本低廉等逐步成为柔性压力传感器的发展潮流。但是，想要实现低成本制造分辨率高、灵敏度精确、响应迅速和可以进行复杂信号检测的柔性传感器依然是很难攻克的。因此，本课题拟以铁电纳米粒子，碳纳米管以及PDMS为原材料制备复合电介质并对电介质的拓扑结构展开设计，从而提高柔性压力传感器的灵敏度并拓展测量压力范围。
一、柔性压力传感器的分类
根据传感器原理不同，柔性压力传感器主要可以分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器。
电阻式传感器：电阻式传感器的基本工作原理是将被测的变化转化为传感器电阻值的变化，柔性的电阻式传感器主要分为应变式和压阻式，应变式的传感器主要是通过将弹性的导体进行拉伸，在拉伸过程中结构体发生形变使其横截面减小，导电区域变长，从而导致其电阻值发生变化。压阻式的传感器主要是通过在导体上构筑微结构，在施加压力时，导体的导电通路发生了改变从而导致电阻值发生改变。
电容式传感器：其通过施加拉力或压力来改变电容值的变化，通常为变极距型的，通过极板间的距离变化引起电容量的变化，通常选用高弹性的电介层，或者是将电介层设计成微结构，使其有非常好的弹性和恢复能力，从而提高传感器的灵敏度，实现电容式传感器的关键在于制备具有可拉伸性的电极材料，用碳纳米管和银纳米线制备的弹性导体可制备出高性能的可拉伸导体。
压电式传感器：压电式传感器是基于压电效应的传感器。其可以将电能转换成机械能，又可以将机械能转换成电能。某些具有压电效应的节点材料在受力变形时，两表面产生了正负相反的电荷，外力撤销后又能重新回到不带电状态，把机械能转化成了电能，也可以通过测试电流的变化量来检测压力的大小。聚偏氟乙烯是一种常见的压电材料，因其具有非常好的柔性和高的压电系数被广泛用于柔性压电式压力传感器。
三类传感器的优缺点如下表所示，可以看出每种传感器都有其优缺点，并没有一种完全满足应力传感器的所有要求，所以要求我们根据实际应用需求来设计传感器。
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