摘要
柔性触觉传感器能够感知外界压力信息，在当今万物互联、智能电子时代中扮演着重要的角色。本文以有机压电材料聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（PVDF-TrFE）和无机压电材料纳米氧化锌（ZnO）为研究对象，通过提高薄膜中全反式构象（β相）含量，制备出具有优异性能的压电式柔性触觉传感器。论文主要研究工作和结果如下： （1）采用溶液滴铸法制备出PVDF-TrFE压电式柔性触觉传感器，研究了退火温度对薄膜特性及其传感器压电响应的影响。结果发现，在合适温度（130℃）下退火处理可使PVDF-TrFE薄膜中β相的含量从73.72%提升至87.50%，薄膜的结晶度也得到一定改善，所制备的柔性触觉传感器在0-9N的外力刺激下，灵敏度为645.57mV/N。另外还发现，传感器输出电压波形的正、负幅值和形态在不同工作温度下存在明显差异，表现出了较高的温度敏感性，表明该传感器可同时用于力学信息和温度的感知。 （2）采用旋涂法制备了PVDF-TrFE压电式柔性触觉传感器，研究了旋涂速率和层数对传感器性能的影响。结果表明，旋涂法会产生和机械拉伸一样的效果，较高的旋涂速率会产生剪切应力以优化偶极子的取向。通过优化得到旋涂速率为1500r/min5层膜制备的压电薄膜的β相含量最高为75%，所制备的压电传感器在没有极化的情况仍表现出优良的传感性能，灵敏度为239.99mV/N。 （3）采用旋涂法制备出NanoZnO-PVDF-TrFE压电复合薄膜柔性触觉传感器，研究了不同纳米结构ZnO（纳米颗粒、纳米棒和纳米四角针状）和纳米ZnO含量对传感器压电特性的影响。结果表明，在纳米ZnO质量比较低的情况下，纳米ZnO的掺入有助于改善薄膜中β相含量和晶体结构，其中掺入0.75wt%的ZnO纳米棒制备的复合压电膜中β相含量高达91%，对应传感器的灵敏度达到586.26mV/N。 （4）采用旋涂法在水热生长的ZnONRs薄膜上沉积PVDF-TrFE膜制备出双层压电膜结构的柔性触觉传感器。结果表明，在外力的刺激下，具有高长径比的ZnONRs薄膜不仅能够通过自身的压电性增加器件的输出性能，还可以将PVDF-TrFE薄膜内部分离成更小的区域，使得更多的偶极子朝同一方向发生偏转，其β相含量最高可达95.06%，此时传感器的灵敏度高达935mV/N，相较于复合薄膜结构压电性能提高了1.5倍。该传感器制备工艺简单，经应用测试显示，传感器对人体呼吸、手指或喉咙运动、雨滴、风速大小都具有良好的感知能力，表明该传感器在个人医疗诊断、人工智能和可穿戴电子设备领域中具有极佳的应用潜力。
NETL