基于炭黑/硅橡胶柔性压力传感器特性研究

【摘要】本文以炭黑为导电相、硅橡胶为基体材料制备柔性压敏膜，采用不同结构的电极，制备柔性压力传感器，并对其压阻特性进行研究。利用炭黑掺杂硅橡胶方法制备压敏膜，然后与叉指状电极结合，制备出“叉指”型压力传感器。通过改变炭黑粒子的掺杂浓度，测试出炭黑/硅橡胶复合材料的渗流阈值为2.5wt%。对其交流特性进行测试表明：1kHz测试条件下，该传感器呈现正压阻效应；随着测试频率的增加，炭黑/硅橡胶界面处空间电荷极化强度减小，器件的正压阻效应减弱，其最佳工作频率为1kHz；通过分析炭黑粒子之间的运动，解释了正压阻效应。最后对器件的响应恢复特性进行了测试。利用Al电极制备了“三明治”型压力传感器，研究器件的电阻、电容、阻抗随压力的变化，分析其内部的炭黑粒子运动以及负容敏效应。压力测试表明：器件具有快速的响应恢复特性和重复性，其响应时间为4s，恢复时间为5s。当连续施加压力时，器件表现出较好的梯度，能够分辨出0.5N的压力间隔。对比以上两种结构器件的交流特性，结果表明，基于炭黑/硅橡胶的压力传感器交流条件下的压阻特性包括电阻和电容两方面。当采用不同结构的电极制备器件时，器件的交流输出信号不尽相同。“叉指”型器件是以电阻变化为主导，而容抗的变化较小；“三明治”型器件是以电容变化为主导，电阻贡献较小。两种结构器件可以应用于不同类型采集信号的测试系统。最后，采用光刻技术初步制备基于ITO/PET衬底的压力传感器，实现衬底和压敏膜的全柔性化，并测试了器件的压阻特性。结果表明：随着压力的增加，器件表现出较好的正压阻效应，0-20N压力范围内，器件的电阻变化为50-1200k。同时器件对压力具有快速的响应恢复和重复特性。
【作者】冯建超；
【导师】张彤；
【作者基本信息】吉林大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】柔性；压力传感器；交流特性；压阻效应；炭黑；

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