摘要
柔性力学传感器是由柔性基底和活性材料组成，根据原理分为压阻型、电容型、摩擦电型、压电型和离子型等。其中，离子型应变传感器能自供电和方向识别。其大都为三层结构，中间是内部含有可移动离子的多孔聚合物层；两侧是电压信号传输的电极层。在受力时，聚合物内部可移动离子随着应力梯度发生偏移，产生厚度方向的不平衡分布，从而产生电压信号。为了提高电压信号强度，可以在传感器表面引入微结构。目前主要通过光刻技术制备微结构，存在设备昂贵、操作复杂、污染严重等问题。本文采用新型生物模板法制备具有表面微结构的离子型传感器，即通过PDMS溶液浇注法复制生物表面微结构，具有操作过程简单、复制结构完整、成本较低、对环境污染较小等优点。 此外，以上述工艺为参考，探索了热塑性聚氨酯/离子液体（TPU/IL）膜为基体的离子型应变传感器，结果表明：采用涂覆银纳米线（AgNW）方法制备的芦苇叶结构传感器表面电极存在开裂和剥落的现象，表面电阻约900kΩ*cm/□；采用电子束镀膜法制备芦苇叶结构Ag电极表面颗粒分布均匀，表面电阻小于390Ω*cm/□。这两种电极的传感器的灵敏度分别为1.15mV/1%和4.45mV/1%。此外，芦苇叶结构传感器性能也优于无微结构传感器：AgNW电极和电子束镀Ag电极传感器灵敏度分别高出0.9倍和2.58倍。 本文首先研究了全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物（Nafion）膜为基体的离子型应变传感器的制备方法及其性能特点。仿生基体膜制备过程包括：通过生物模板法制备了负仿生结构（与生物表面相反结构）的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜；和对PDMS膜二次复制出正仿生结构（与生物表面相同结构）Nafion膜两个步骤。在此基础上采用浸泡还原镀和电镀工艺相结合制备出离子型应变传感器材料。结果表明：芦苇叶结构传感器的电极表面电阻小于10Ω*cm/□，灵敏度可到达62.5mV/1%。相比于滚针糙化结构和无微结构传感器灵敏度分别高出1.8倍和2.5倍。通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察芦苇叶结构，发现其具有二级结构。一级结构是宽度为60-80μm的三角锥体结构，二级结构是分布在椎体表面和底部直径为16μm左右的突触结构。相比于糙化孔洞结构和无微结构，结构层次更加丰富。 最后，在此基础上，将研究的芦苇叶结构离子型应变传感器做了一些可穿戴方面的运用和物体性能检测：如检测人体关节弯曲、面部肌肉运动检测、脉搏测试、语音检测、物体质量检测和界面的粗糙度识别等。仿生模板的使用，增加了离子型应变传感器表面结构的层次性和多样性，提高传感器的性能。该类传感器不仅能识别人体生命信号，还能识别物体粗糙表面，对传感器运用方面有一定的借鉴和参考价值。
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