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基于电活性聚合物薄膜柔性器件的触觉传感特性

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光学精密工程 2014年第8期22卷 2151-2158页

作者：张冬至童俊刘哲夏伯锴中国石油大学(华东)信息与控制工程学院山东青岛266580

针对电活性聚合物（EAP）薄膜制造柔性智能器件的发展要求,分析了电活性聚合物薄膜的正/逆力-电特性及发电机理,采用静电诱导自组装技术在电活性聚合物表面制备了碳纳米管薄膜电极,然后构建了柔性传感器件.实验研究了EAP柔性器件的手指... 详细信息

针对电活性聚合物（EAP）薄膜制造柔性智能器件的发展要求,分析了电活性聚合物薄膜的正/逆力-电特性及发电机理,采用静电诱导自组装技术在电活性聚合物表面制备了碳纳米管薄膜电极,然后构建了柔性传感器件.实验研究了EAP柔性器件的手指关节弯曲姿态及脚踏运动触觉的传感特性.扫描电子显微（SEM）形貌观察表明：碳纳米管薄膜呈网状结构且质地致密均匀.基于EAP柔性器件的手指弯曲姿态实验结果表明：在手指弯曲度为15～90°时,输出电压峰值为1.2～3.7V,展示了输出电压峰值与手指弯曲度之间的高线性度,线性相关系数为0.9951.此外,采用EAP薄膜器件对踏步触觉进行了实验测试,其输出电压峰值在1V左右,而且具有响应快、可重复性好等优势.本文的研究为电活性聚合物薄膜型电子皮肤及触觉传感器的发展提供了理论基础和实验依据.

关键词：电活性聚合物薄膜柔性器件碳纳米管手指弯曲姿态触觉传感

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柔性器件的瞬态传热研究

柔性器件的瞬态传热研究

作者：彭凯电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,伴随着对可移动和轻便柔性器件的需求,人们对开发柔性器件在各个领域中的应用有着巨大的兴趣,其中在能量储存领域、生物医学领域、仿生领域等,人们已经有着较为深入的研究。柔性器件相关技术的发展和革新也势必会改变我们的生活... 详细信息

近年来,伴随着对可移动和轻便柔性器件的需求,人们对开发柔性器件在各个领域中的应用有着巨大的兴趣,其中在能量储存领域、生物医学领域、仿生领域等,人们已经有着较为深入的研究。柔性器件相关技术的发展和革新也势必会改变我们的生活方式。然而,目前鲜有关于柔性器件在瞬态传热方面的报道,柔性器件导热性能差的问题却一直阻碍着柔性器件进一步向轻型化、小型化、高集成化发展。本文针对上述问题,提出两种解决方案:一种是降低柔性器件的界面热阻;另一种是通过在微通道内填充高导热材料的工艺使器件的局部导热性能得到大幅提升。利用第一种方法的原理,我们通过将紫外光照射过的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane,PDMS）和聚酰亚胺（polyimide,PI）转印到硅基片上,在界面处生成硅氧键（Si-O）,从而降低柔性器件的界面热阻,进而提升整体的导热性能。利用第二种方法的原理,我们分别在PI和PDMS内部制作出微通道,并在微通道内分别填充石墨烯和镓铟合金（Ga-In）,从而使柔性器件的局部导热性能得到极大的提升。本文首先用NanoTR系统测量出不同紫外光照时长下PDMS/Si、PI/Si和PI复合薄膜不同区域下的热扩散曲线,随后使用ANSYS有限元仿真软件建立三层和双层一维热扩散模型,仿真出不同紫外光照时长下PDMS/Si、PI/Si和PI复合薄膜不同区域下的热扩散曲线,再与实际测量得到的热扩散曲线对比,从而得到相应的热导率。随后在众多PDMS-PDMS粘合的方法中,我们选择最为高效、简单的部分固化法和不同固化率法相结合的方法,制作出PDMS内部的微通道,并利用抽真空法将Ga-In合金填充到微通道内,最后使用热电偶测量在加热情况下PDMS复合膜表面不同区域的温度。第一种方法对热导率的提高在两倍左右,但使用范围更加广泛并且可以使柔性器件整体导热性能得到提升;第二种方法对热导率的提高在10倍左右,但是只针对柔性器件局部导热性能的提升,因此在未来的应用上我们应该根据情况单独使用或者综合使用。

关键词：柔性器件 PDMS PI 瞬态传热导热性能

单晶硅/锗薄膜材料的转移技术及柔性器件应用

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中国科学：信息科学 2018年第6期48卷 670-687页

作者：李恭谨宋恩名郭庆磊黄高山梅永丰复旦大学材料科学系上海200433 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室上海200433

单晶硅/锗材料是当今半导体工业的基石.当厚度缩小到纳米尺寸量级时,这些材料的薄膜在力学、光学、电学、热学等领域均展现出显著区别于体材料的独特性质与应用.超薄的厚度使单晶硅/锗纳米薄膜在获取可以媲美有机半导体材料的柔性特征... 详细信息

单晶硅/锗材料是当今半导体工业的基石.当厚度缩小到纳米尺寸量级时,这些材料的薄膜在力学、光学、电学、热学等领域均展现出显著区别于体材料的独特性质与应用.超薄的厚度使单晶硅/锗纳米薄膜在获取可以媲美有机半导体材料的柔性特征的同时,仍保持远高于有机材料的迁移率特性.以上性质使硅/锗纳米薄膜成为高性能柔性电子器件的理想构筑单元,在物联网、可植入/可穿戴电子器件、仿生电子器件等诸多领域表现出非常广阔的应用前景.本文通过"先转移单晶硅/锗纳米薄膜,后搭建器件"以及"先制备单晶硅/锗纳米薄膜器件,后转移整体"两个角度,深入探讨了不同转移策略的特点,以及在柔性器件中的应用;阐述了当前该领域最新研究进展及需要重点解决的科学问题与技术难点.

关键词：硅锗纳米薄膜转移柔性器件

低维硫族金属化合物的热电性能调控与柔性器件构筑

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低维硫族金属化合物的热电性能调控与柔性器件构筑

作者：耿继新东华大学

学位级别：硕士

热电材料作为一种清洁的能源材料,能够直接实现热能和电能之间的相互转换,有望提高能源的利用率,缓解日益严重的能源危机、环境污染等问题。近些年,随着可穿戴技术的发展,热电材料和器件除了要具备更高的电能输出,还必须具有良好的柔韧... 详细信息

热电材料作为一种清洁的能源材料,能够直接实现热能和电能之间的相互转换,有望提高能源的利用率,缓解日益严重的能源危机、环境污染等问题。近些年,随着可穿戴技术的发展,热电材料和器件除了要具备更高的电能输出,还必须具有良好的柔韧性,满足曲面贴合与集成的要求,因此亟需开发高性能柔性热电材料及器件。高性能柔性热电器件的构筑一直面临着各种各样的挑战。其中,硫族金属化合物作为一类重要的热电材料,具有不俗的Seebeck系数和电导率可调的优势,同时具有低的本征热导率,但是硫族金属化合物(例如AgTe、CuTe等)无法耦合高电导率和高Seebeck系数,导致了较低的功率因子;此外,这类纯无机化合物组装的宏观薄膜柔性较差,无法适应可穿戴电子的应用环境;大部分柔性薄膜/器件构筑方法手工依赖度强,无法进行热电模块单元的规模化制备和精准工艺调控,限制了薄膜热电器件与可穿戴电子设备的集成与应用。针对上述问题,本文拟基于低维硫族金属化合物(AgTe、CuTe、AgSe)纳米材料为主,针对材料的性能调控和柔性器件的构筑问题,进行了硫族金属化合物的金属化掺杂、高柔性材料的复合改性以及柔性薄膜器件的3D打印等方面的研究,主要内容包括:通过水热-溶剂热法,制备了长度均一可控的六方相Te纳米线,作为后续反应的模板物;对Te纳米线模板进行金属化掺杂,获得了AgTe与CuTe纳米线,通过金属掺杂比例优化,大幅提高了AgTe的电导率和CuTe的Seebeck系数,获得了高性能的p型和n型热电材料,其中p型CuTe的功率因子为64.3μW m K,n型AgTe的功率因子为101μW m K;构筑了p-n型Te基金属化合物热电器件,在50 K的温差下,5对p-n热电模块输出电压为24.5 m V。利用Se纳米棒为模板,还原制备了Se@AgSe核壳结构纳米棒;利用高柔性与高电导率的单壁碳纳米管(SWCNT)作为力学-电学增强材料,辅以低温热压工艺,构筑了AgSe/SWCNT高柔性复合薄膜;SWCNT与AgSe之间的纳米桥结构显著提高了柔韧性,经过1000次弯折,仍能保持94%的性能,并且该复合薄膜展现出了优异的热电性能(PF～1030.7μW m K,300 K);由6个复合薄膜组成的高柔性热电器件,在50 K的温差下,最大可输出功率为2.36μW。利用低维硫族金属化合物(AgTe,CuTe和AgSe)和木质纤维素纳米纤维,制备了符合打印要求的热电水凝胶,通过生物3D打印机构建了柔性热电器件;凝胶模块可通过低温(柔性热电发电机。由70对p-n型热电模块组成的高集成密度器件在50 K的温差下展现了360.5 m V的输出电压和1.278 W m的功率密度。

关键词：硫族金属化合物金属化掺杂高柔性复合材料热电凝胶柔性器件

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碳基柔性器件的制备与研究

碳基柔性器件的制备与研究

作者：孙驰航东北大学

学位级别：硕士

近些年来,随着人们生活质量的快速提高,便携式电子设备在日常生活中便显得愈发重要。而研究与其相匹配的可拉伸储能系统,也随之成为了当今科学界的研究热点。在之前的柔性器件研究中,碳基材料（聚合物、碳纳米管、石墨烯等）的力学性能... 详细信息

近些年来,随着人们生活质量的快速提高,便携式电子设备在日常生活中便显得愈发重要。而研究与其相匹配的可拉伸储能系统,也随之成为了当今科学界的研究热点。在之前的柔性器件研究中,碳基材料（聚合物、碳纳米管、石墨烯等）的力学性能和电化学性能较好的契合柔性器件对于储能系统的要求而被广泛研究。本文选取聚氨酯及单壁碳纳米管为成膜基底,商用磷酸铁锂、钛酸锂及钛酸锂纳米片为活性物质,采用非溶剂致相转化法及连续离心铸造法制备可拉伸柔性极片。使用扫描电子显微镜对样品的微观结构进行表征;使用LAND电池测试系统、电化学工作站对样品进行了电化学性能测试;使用动态热机械分析仪对样品的力学性能进行测试;使用四探针方阻测试仪对极片拉伸一定次数之后的阻值变化进行测试。探究不同方法、不同成膜材料以及不同形态的活性物质对制备样品性能的影响。通过对数据的分析得出以下结论:（1）采用非溶剂致相转化法制备的聚氨酯基柔性极片,磷酸铁锂及导电炭黑均匀的分散在聚氨酯柔性基底中。通过使用实验室常用的四种醇类及去离子水类作为非溶剂,比较五种柔性极片的表面微观结构、电化学性能和力学性能,其中以正丁醇作为非溶剂制备的聚氨酯柔性极片有着最为优异的综合性能。（2）采用连续离心铸造法制备的单壁碳纳米管基柔性极片,磷酸铁锂、钛酸锂及钛酸锂纳米片较均匀的分散在碳管膜中,有少许团聚现象发生。比较三种不同的活性物质薄膜,可得知连续离心铸造法是一种理想的制备薄膜的方法,制备的柔性薄膜电化学性能、力学性能优异,而且二维材料在该方法中会有更好的成膜效果。

关键词：柔性器件相转化法连续离心铸造法聚氨酯碳纳米管

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超级电容器电极材料及柔性器件研究

超级电容器电极材料及柔性器件研究

作者：陈俊电子科技大学

学位级别：硕士

石油资源的消耗量日益增大以及汽车内燃机在燃烧石油时的尾气排放所引起的环境污染,这些问题一直是人们关注的重点。为了解决这些问题,国内外研究者一直致力于电动汽车以及混合动力电动汽车的开发,寻找出一种环境友好、充电速度快、性... 详细信息

石油资源的消耗量日益增大以及汽车内燃机在燃烧石油时的尾气排放所引起的环境污染,这些问题一直是人们关注的重点。为了解决这些问题,国内外研究者一直致力于电动汽车以及混合动力电动汽车的开发,寻找出一种环境友好、充电速度快、性能稳定的能量储存系统的需求也越来越迫切。超级电容器(Supercapacitors),由于其高比容、环境友好、低成本、良好的循环性能以及迅速的充电过程等特点,倍受研究者关注。另外,随着便携式电子设备的快速发展,将微型电子设备运用到可穿戴设备或者作为生物植入物的可行性越来越大。用柔性电子器件来替代传统的硬质电子器件的重要性也愈加凸显,如何解决柔性电子设备的储能问题,是实现这些可能性的重要因素之一。因此关于柔性超级电容器的研究也很重要,其中微型超级电容器是近几年内柔性器件发展的一个重要方向。本文对超级电容器电极材料和柔性器件做了如下研究:(1)设计并制备了石墨烯/空心球状聚3,4-乙烯二氧噻吩(b-PEDOT)/多壁碳纳米管纳米复合材料。在多壁碳纳米管和b-PEDOT均匀分布在氧化石墨烯分散液中的前提下,通过对氧化石墨烯进行还原得到该复合材料,并对其形貌和电容性能进行了研究。恒电流充放电测试得出0.1 A g-1的电流密度下,其比电容达到225 F g-1。(2)设计并合成了一种名为氧化锰/b-PEDOT/多壁碳纳米管的复合材料,形貌表征和电化学测试说明该复合材料具有良好的结构和电容性能,在0.3 A g-1的电流密度下其比电容可以高达270 F g-1。(3)本论文设计并制备了一种新型低成本、简单易得、柔性的微型超级电容器。其制备方法适用于各种粉末状电极材料,本论文中是基于氧化锰/b-PEDOT/多壁碳纳米管复合材料的研究来进行测试说明的。该微型超级电容器在2 A g-1的电流密度下测试其比电容可达110 F g-1。

关键词：超级电容器电极材料纳米复合材料柔性器件微型超级电容器

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一种二维材料柔性器件的动态精密测量方法

一种二维材料柔性器件的动态精密测量方法

作者：陈姜龙电子科技大学

学位级别：硕士

柔性电子器件在全球范围内激发了广泛的研究兴趣,并实现了大量的应用,如柔性电路、柔性显示器和柔性储能器件。随着二维纳米材料及其异质结构的出现,器件尺寸的持续缩小已成为柔性电子研究的一个重要趋势。然而,随着器件尺寸不断缩小,... 详细信息

柔性电子器件在全球范围内激发了广泛的研究兴趣,并实现了大量的应用,如柔性电路、柔性显示器和柔性储能器件。随着二维纳米材料及其异质结构的出现,器件尺寸的持续缩小已成为柔性电子研究的一个重要趋势。然而,随着器件尺寸不断缩小,许多制备、测试、分析过程中的难题在柔性器件研究领域变得越来越突出,其中最关键的挑战就是精确测量这些小型化电子器件的动态响应。具体而言,当柔性电子器件的尺寸不断缩小时,从器件的固有响应中辨别电接触点/导线对机械调制的外来响应变得越来越困难。基于此,本论文展示了一个新型连接方案,可以有效地隔离和抑制这种不属于器件自身响应的外来信号干扰。本文使用自主设计的新型连线结构,通过布线平台紧密“浮动”在器件上方,并与柔性器件同步移动的方式,有效地将连接导线的机械变形降至最低,从而大幅抑制导线变形的响应对器件本征信号的串扰。在此基础上,本文利用有限元方法对导线不同连接方案的应变进行了仿真,从理论上分析验证底板弯曲对导线的影响;其次,采取机械剥离法制备石墨烯（graphene）薄层材料,使用干法转移在PET柔性衬底上,制备基于石墨烯的柔性压阻传感器。进一步,本文使用不同的导线连接方案对其进行动态电学测试。通过对比研究可以清楚地观察到传统连接方案中电接触点的复杂机械响应;这阻碍了对器件的固有响应的准确测试。而本文自主设计的新型连接方案新型连线结构在抑制这种外来影响方面被证明具有高效性和可靠性,可以将器件的动态的测量精度提高几个数量级。此外,本论文采取自主设计的新型连接方案,系统地测试了石墨烯、二硫化钼（MoS2）的柔性电学性能。在成功制备出基于二硫化钼的场效应晶体管的基础上,进一步研究了器件在动态弯曲过程中的电学性能的变化,并从器件的结构设计、制备方法等方面入手,提出了性能提升的优化方案。

关键词：动态精密测试二维材料柔性器件场效应晶体管

面向压力传感和热声执行的新型碳基柔性器件及功能集成研究

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面向压力传感和热声执行的新型碳基柔性器件及功能集成研究

作者：王冠亚重庆大学

学位级别：硕士

在物联网技术的推动下,可穿戴设备受到广泛青睐并成为学术界和产业界的研究热点。伴随着可穿戴设备的蓬勃发展,柔性电子技术应运而生。自富勒烯、碳纳米管、石墨烯相继问世以来,碳基材料的众多优良属性引起了研究人员的普遍关注,也为柔... 详细信息

在物联网技术的推动下,可穿戴设备受到广泛青睐并成为学术界和产业界的研究热点。伴随着可穿戴设备的蓬勃发展,柔性电子技术应运而生。自富勒烯、碳纳米管、石墨烯相继问世以来,碳基材料的众多优良属性引起了研究人员的普遍关注,也为柔性器件的发展带来了新的机遇。本论文以碳基材料为核心,围绕其压阻效应、焦耳效应、热声效应,从压力传感器、热声执行器和多功能集成化器件三个方面开展了创新性研究,获得了一系列新型碳基柔性器件,并且探索了这些器件在可穿戴领域的应用价值。在压力传感器方面,提出了基于还原氧化石墨烯的夹层式多尺度结构压力传感器。采用高温还原作为基本方法,制备出珍珠纹棉柔巾与还原氧化石墨烯复合的互联导电网络。根据独特的纹理特征建立了图案面相向形成的互锁结构,得到了高性能压阻传感层。进一步利用多孔石墨烯和聚苯乙烯微球作为调控手段,增强了压力传感器的性能。多尺度的结构设计使得传感器既能检测到微弱的生理信号,又能探测到大幅度的动作信号。在热声执行器方面,提出了基于热解丝绸碳质织物的单模双用加热发声器。采用高温热解作为基本方法,制备出兼顾力学和电学特性且保有原始编织结构的碳化重绉丝绸织物。通过测试碳化导电网络在恒定电压下的温度输出和时变电压下的声音输出,验证了其良好的电热和热声性能。进一步利用纺织物的属性,发挥出高度灵活优势,执行器不仅可以在各种程度形变下保持稳定的表面温度分布,还可以在衣物上传播出高辨识度的声音信息。在多功能集成化器件方面,提出了基于激光诱导石墨烯的压力传感-热温执行器和压力传感-声音执行器。采用激光直写作为基本方法,在一种芳香族聚酰胺绝缘纸上制备出具有高导电性能的图案化石墨烯。通过将两片激光加工过的基底进行面对面组装,实现了压力传感模块与热温执行模块的集成,由此可以将力学行为指令作为切换温度输出状态的触发信号。为获得属性更加多样的石墨烯,进一步提出了两步激光书写制备法,同时研究了激光参数对石墨烯导电性能和品质的影响。利用三种激光功率获得的具有不同侧间导电特性的双面激光诱导石墨烯作为不同的模块层,通过依序堆叠组装,实现了压力传感模块与声音执行模块的集成,由此可以将力学信号和声学信号分别作为输入动作指令和输出信息反馈完成人机交互。本论文的研究成果充分展现了碳基材料在新型柔性器件领域的应用潜力,也为新型多功能集成方案的开发提供了新的思路。

关键词：碳基材料柔性器件压力传感器热声执行器多功能集成

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直写打印石墨烯柔性器件的电学性能研究

直写打印石墨烯柔性器件的电学性能研究

作者：薛堂月郑州大学

学位级别：硕士

柔性传感器具有监测灵敏度高、柔韧性好、重量轻、易集成和可穿戴的优点,使其在个人身体健康监测领域具有广泛的应用前景。二维纳米材料石墨烯具有优异的导热、导电和机械性能,并且可加工为石墨烯带、石墨烯纤维、石墨烯薄膜、石墨烯纸... 详细信息

柔性传感器具有监测灵敏度高、柔韧性好、重量轻、易集成和可穿戴的优点,使其在个人身体健康监测领域具有广泛的应用前景。二维纳米材料石墨烯具有优异的导热、导电和机械性能,并且可加工为石墨烯带、石墨烯纤维、石墨烯薄膜、石墨烯纸和石墨烯气凝胶等多种形式。因此,基于石墨烯的柔性传感器件有望成为下一代可穿戴个人活动和身体健康状态监测器件。本文从氧化石墨烯墨水的制备出发,采用直写打印技术,分别制备图案化石墨烯柔性电路、图案化石墨烯应变传感器和石墨烯电化学多分析传感器件,并对其性能进行一系列研究。主要开展的研究工作如下:利用改进Hummers法制得氧化石墨烯分散液,经扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱分析(FT-IR)等测试表明合成了片径20-40μm,厚度0.98 nm且有较多含氧官能团的氧化石墨烯。利用溶剂蒸发法将制备的氧化石墨烯分散液浓缩成浓度为20 mg/mL的墨水。通过直写打印技术,将其在玻璃、硅片等刚性基底和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等柔性基底上打印,并采用氢碘酸还原打印的图案,测得还原后图案的电导率为4.21×104S/m。此外,对还原前后的氧化石墨烯进行拉曼光谱(Raman)、X射线衍射仪(XRD)和光电子能谱(XPS)等表征,结果表明还原后含氧官能团明显减少,图案化还原氧化石墨烯电学性能已经恢复。在图案化还原氧化石墨烯电路上连接LED灯珠,施加3 V电压后,LED灯被点亮,表明制得的石墨烯柔性电路具备较好的电学性能。利用直接干燥法和冷冻干燥法分别制备层状堆积的石墨烯带和致密多孔的石墨烯气凝胶,并研究直线、波浪线石墨烯带和直线、波浪线、蛇形线型石墨烯气凝胶在压缩、弯曲、拉伸、扭转、错动、循环往复拉伸等过程中的电阻相对变化率。结果表明,石墨烯带电学信号相对稳定,电阻几乎不发生变化,而石墨烯气凝胶电阻变化率较大,且蛇形线石墨烯气凝胶电学响应最为灵敏。基于石墨烯带和石墨烯气凝胶在不同微观结构和宏观图案下电学灵敏性的显著差异,将波浪线石墨烯带和蛇形线石墨烯气凝胶结合制备图案化柔性石墨烯传感器,通过多通道电子数据记录仪进行多位点识别和人体腕部运动监测。结果表明,传感器对每个位点和腕部关节的运动均有不同的响应。再利用数据统计分析软件Minitab 16和SYSTAT 12将不同动作的阻值变化进行主成分分析(PCA)、分层聚类分析(HCA)和线性判别分析(LDA),实现多位点的区分识别和腕部运动的多分析传感监测。基于不同微观结构的石墨烯材料电学敏感性的差异,再结合石墨烯基材料的电化学传感特性,对不同微观结构石墨烯材料进行电化学性能研究。基于层状堆积的石墨烯薄膜和致密多孔的石墨烯气凝胶不同的导电性和吸附性能,分别制备石墨烯薄膜和石墨烯气凝胶电极,且以铂片为对电极和Ag/AgCl为参比电极组成标准的三电极体系进行电化学性能研究。采用差分脉冲伏安法和循环伏安法对阳离子、阴离子、氨基酸、胺类和糖类等物质进行电化学检测分析,再利用PCA、HCA和LDA等数据分析方法对其进行多元数据分析。结果表明两种微观结构电极在相互配合作用下可将每一种物质区分并有效地识别分类。此外,该器件还实现不同浓度梯度的阴阳离子和七种不同类型混合物的区分辨别。这种不同组装方式的石墨烯电极的引入,为人体复杂的体液分析提供了有效的途径。

关键词：石墨烯柔性器件直写打印传感多分析