摘要
柔性电子领域发展迅速，在运动检测、人机界面和柔性机器人等领域都有所应用，这对柔性压阻传感器提出了更高的需求。压阻传感器可以将压力变化转换成电阻的变化，由于其具有结构简单，低耗能，高灵敏度和检测范围大等优点，得到了越来越多的关注。片状的氧化石墨烯(GO)具有许多羧基和羟基，这些大量的活性官能团及微观结构使得GO有作为复合材料支撑基质的潜力。常见的导电聚合物聚吡咯(PPy)具有高导电率，作为复合材料的填充物可以避免GO的自然团聚。GO纳米片与吡咯粒子间具有强烈的π-π相互作用，复合产生的导电材料可以均匀附着在结构基底，作为压阻传感器的导电填料。 本研究采用电荷自组装法(LBL)分别将氧化石墨烯(GO)和聚吡咯(PPy)沉积在聚氨酯(PU)海绵基底上，制备出了GO/PPy@PU压阻传感器。对GO/PPy@PU压阻传感器进行灵敏度、循环稳定性等性能的测试以及传感机理的分析，进一步优化了GO/PPy@PU压阻传感器的制备工艺，最后测试了GO/PPy@PU压阻传感器在人体特定活动检测方面的应用。具体研究内容如下： 1.制备了GO/PPy@PU压阻传感器，分析了海绵结构在压缩过程中的力学行为，讨论了不同浸涂次数以及氧化剂浓度对传感器压阻特性的影响，发现浸涂次数和氧化剂浓度的增加，都会导致传感器对压强及应变的灵敏度逐渐减小。由于海绵材料独特的三维结构，传感器在不同压强及应变区间表现的灵敏度不同，当传感器所受压强小于3kPa，压缩应变小于40%时，传感器灵敏度最高。 2.对优化制备方案后敏感度最高的GO/PPy@PU压阻传感器进行电学性能与力学性能的系统测试，制备的压阻传感器最大压缩率达到85.5%，满足了大应变的测量条件。10000次循环作用后压阻传感器仍然能保持对压缩变形的有效响应，且响应时间小于70ms。传感器最低能检测低至75Pa的压强作用。测试结果证明传感器具有优异的压阻效应以及高度的稳定性。 3.对GO/PPy@PU压阻传感器的传感机理进行了理论分析以及实验验证。通过海绵的力学模型及渗流理论推导出了传感器敏感度理论公式，根据公式分析了影响传感器灵敏度的因素，并进一步优化了传感器的结构基底。 4.通过使用GO/PPy@PU压阻传感器检测人体特定活动，表现了传感器在不同测量条件下优异的敏感度及稳定性。传感器对微小压力、弯曲及震动都能有效识别并输出对应的特征电流信号。结果表明传感器可以监测并区分人体的部分生理活动，反映了其在复杂测量环境中工作的适应性，展示了其在运动检测方面的潜力。
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