1. 研究目的与意义
1.1本课题的研究背景
1.1.1简介
目前，许多智能化的检测设备已经大量地采用了各种各样的传感器，其应用早已渗透到诸如工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程、宇宙开发、智能家居等方方面面。传感器在某种程度上可以说是决定一个系统特性和性能指标的关键部件[1]。随着信息时代的应用需求越来越高，对被测量信息的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值和理想化要求逐步提高。针对特殊环境与特殊信号下气体、压力、湿度的测量需求，对普通传感器提出了新的挑战。面对越来越多的特殊信号和特殊环境，新型传感器技术已向以下趋势发展:开发新材料、新工艺和开发新型传感器：实现传感器的集成化和智能化：实现传感技术硬件系统元器件的微小型化：与其它学科的交叉整合的传感器[2]。同时，希望传感器还能够具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。随着柔性基质材料的发展，满足上述各类趋势、特点的柔性电容式压力传感器在此基础上应运而生。
1.1.2柔性电容式压力传感器的用途
柔性压力传感器在智能服装、智能运动、机器人“皮肤”等方面有广泛运用。聚偏氟乙烯、硅橡胶、聚酰亚胺等作为其基底材料已广泛用于柔性压力传感器的制作，它们有别于采用金属应变计的测力传感器和采用n型半导体芯片的扩散型普通压力传感器，具有较好的柔韧性、导电性及压阻特性。新型柔性传感器在电子皮肤、医疗保健、电子电工、运动器材、纺织品、航天航空、环境监测等领域受到广泛应用[3]。
1.1.3柔性电容式压力传感器的优缺点
电容式传感器是根据电容器的原理制成，由两个平行极板中间夹一层电介质构成。外力引起极板间距离、极板面积或电介质的改变，都会引起传感器电容变化，传感器将这些变化量感知并传递给用户[4]。柔性电容传感器一般以柔性材料为电容器极板，如导电薄膜、纤维、纱线、织物等，以泡沫、间隔织物、橡胶等弹性材料为间隔层，这种柔性电容传感器与纺织品结合后制成电智能纺织品，能够感知外界环境的变化，其结构简单、灵敏度高、空间分辨率高，且基本保留了纺织品原有的柔软、易变形、舒适等特性。同时，由于这种柔性电容传感器能在压力作用下发生形变，并将形变通过电学信号变化而变现出来，具有如人体皮肤一样对外力的感知能力，并兼具人体皮肤的可拉伸特性，故可被用于仿生“电子皮肤”系统。新型电子皮肤传感器相对于传统传感器，具有柔性化、可拉伸、灵敏度高、生物兼容等特点，近年来受到了学界和产业界的广泛关注。
常用柔性传感器敏感材料通常以薄膜的形式应用在传感器上。根据被测量信息的不同需求，常用薄膜材料有金属薄膜、导电氧化物薄膜、纳米复合薄膜等。金属薄膜既可保留基底柔软、易弯曲等特性，还可明显改变其表面特性，赋予其各种新的功能，例如:纤维传感器、隔热膜、导电膜和增透膜等各种高技术与高性能的功能薄膜。在柔性基底上沉积金属膜制备各式功能薄膜法主要集中在化学电镀法、真空蒸镀法和磁控溅射法[5]。透明导电氧化物(TCO)薄膜，既具有可见光范围光学透明性，又具有良好的导电性，有可折叠、重量轻、不易碎、便于运输、易于大面积生产及设备投资少等优点，可广泛应用于光电领域。铟锡氧化物(ITO)薄膜是最常用的透明导电氧化物薄膜，其具有高可见光透射率(80%)和高红外反射率，低电阻率(可低达10－4Ω·cm)。最近，镓或铝掺杂ZnO(GZO或AZO)薄膜也已被广泛地研究和应用在如平板显示器、太阳能电池、触摸屏和LED等器件。纳米材料在传感器上的使用最初是以超微颗粒为主，近年来，低维材料、阵列材料及其它组装材料的使用比重逐渐增大，如碳纳米粉复合膜[6]、碳纳米管复合膜[7]、碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合阵列[8]等。除少部分柔性传感器薄膜材料与电极为一体外，组成常用柔性传感器的主要构件还有电极材料，根据柔性传感器的使用要求，它们有着不同的材料及其制作工艺。常用柔性传感器有着相似的典型结构设计原理。
表1普通传感器与柔性传感器比较
| 种类 | 常用材料 | 可实现的柔性 | 工艺水平 | 适用范围 | 优点 | 缺点 |
| 普通传感器 | 金属材料 | 约5%~10% | 完善 | 机械、电磁传感器 | 导电性好、耐磨损、高温力学性能 | 易氧化，刚性材料不易弯折 |
| 陶瓷材料 | 0%~1% | 完善 | 气敏、湿敏、热敏、红外敏等传感器 | 高硬度、高强度，价格低廉、耐腐蚀、耐高温、抗氧化 | 弹性模量高、无塑性、易断裂 | |
| 柔性传感器 | 半导体材料 | 20%~80% | 较为完善 | 力敏、热敏、光敏、磁敏、射线敏等传感器 | 特殊环境与信号的测量范围扩大拉、压、弯和扭等变形下能保持良好的性能，良好的便携性和适应性 | 相对介电常数、压电系数等较小，导致其性能相对欠佳，使用时限偏低，成本偏高。 |
| 有机材料 | 相对不成熟 | 气敏，热敏，力敏，湿度，气体、离子、有机分子等等传感器 |
普通传感器与柔性传感器对比分析如表1所示。普通传感器其硬脆的性质使电子器件难以进行弯曲或延展，一旦有较大变形将导致电子器件损坏，因此，测量范围也受到较大影响。碳纳米管、石墨烯、高分子膜、高分子电解质和有机聚合物等更多性能优越的材料将被逐渐应用于已经成熟的柔性传感器，其延展性和其他性能将会有较大程度的提高。利用这些新材料制作的柔性传感器将能适应更复杂的不平整表面，扩大了传感器的应用范围。
柔性传感器结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量，解决了传感器的小型化、集成化、智能化发展问题，这些新型柔性传感器在电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品和航空航天中有重要作用。但目前对于碳纳米管和石墨烯等用于柔性传感器的材料制备技术工艺水平还不成熟，也存在成本、适用范围、使用寿命等问题。常用柔性基底存在不耐高温的缺点，导致柔性基底与薄膜材料间应力大、粘附力弱。柔性传感器的组装、排列、集成和封装技术也还有待进一步提高[9]。
1.1.4国内外的情况及目前存在的问题
文献研究结果表明，利用柔性传感器微结构提高其灵敏度在近5年成为研究的热点。美国斯坦福大学鲍哲楠教授2010年在Nature materials[10]、2014年在Nature communications[11]发表的文章，分别采用了微结构化的介电层材料和导电高分子材料作为传感器部件，制作了有机场效应晶体管式和电阻式电子皮肤。韩国首尔大学Chang h yun Pang等2012在Nature materials[12]表文章，利用具有互锁微结构的纳米纤维制成了电阻式应力传感器。美国加大学伯克利分校Ali Javey教授带领的团队采用了基于光刻[13]化学气相沉积[14]微纳加工技术制备了电子皮肤传感器。我国中国科技大学Hong-Bin Yao等2013年利用石墨烯包覆微结构化的海绵纤维，制备了电阻式应力传感器[15]。中科院苏州纳米技术与纳米仿生所2014年利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）硅橡胶复制丝绸的微结构，并利用碳纳米管制作电极，得到了性能优异的电阻式应力传感器[16]。尽管对于器件微结构的研究取得了长足进展，但其微结构的构筑方式多采用基于硅基微电子的沉积、光刻等技术，成本高、能耗大且准入门槛高。因此，寻求一种适用于低能耗、大面积、高效率生产方式的新型制备技术成为柔性压力传感器的必然发展方向之一。我国苏州纳米所的研究员团队在这方面进行了有益的尝试，巧妙的利用了聚二甲基硅氧（PDMS）复制丝绸的微结构，取代了传统微纳加工技术，制备了性能优异的电子皮肤[16]。但总体来讲，这方面的文献报道极少。
1.2本课题的目的及意义
随着电子器件向轻便化，小型化和柔性化不断发展，性能优越的传统透明导电材料掺锡氧化铟（Indiumtinoxide，ITO）越来越无法满足应用的需求[17-19]。这主要源于两个方面的因素[20-21]：（1）由于铟元素储量有限，随着其储量地不断减少，ITO薄膜的成本会大幅增加；（2）ITO薄膜脆性大，在其弯折过程中容易产生裂纹，从而使得薄膜的性能大幅降低，影响器件性能。虽然针对铟元素储量有限的问题，研究人员研发出了性能优越且储量丰富的透明导电氧化物以降低导电膜的成本，如AZO等，但是本身脆性大依然是限制透明导电氧化物在柔性电子器件中广泛应用的一大障碍。因此，如何开发出光电性能与抗弯折性能均十分优越的透明导电膜成为研究人员关注的焦点。近年来，随着纳米技术的不断发展，银纳米材料因其传热导电性高、抗菌及催化能力强，并在其表面等离子吸收峰附近的非线性光学响应超快而越来越受到研究人员的关注，其中作为一维纳米材料的银纳米线（AgNWs因其优越的光电性能与耐弯折性能更是受到研究人员的青睐。银是电的良导体，其电阻率低、导电率高，将AgNWs应用于导电层将收集的电流导出，与透明导电氧化物（transparentcon-ductiveoxide，TCO）材料相比可以大大降低能损。如果采用直径小于入射光波长的AgNWs作为电极材料，不仅能够增加太阳能电池的电极集流面积且不阻挡光的透过，而且还能利用光的衍射等特性，充分吸收光能。因此AgNWs被视为是最有可能替代传统ITO透明电极的材料，为实现柔性、可弯折LED显示、触摸屏等提供了可能，并已有大量的研究将其应用于薄膜太阳能电池[22]。此外，由于银纳米线的大长径比效应，使其在导电胶、导热胶等方面的应用中也具有突出的优势[23]。目前制备银纳米线的方法主要可分为物理法与化学法两种。大部分物理法的工艺较复杂、技术水平要求高、能耗大、产品质量低、均匀性差，不利于大规模生产的实现。化学法中的溶剂热法因其自身独有的特征（如工艺简单，可控性高和产率高等）而吸引了广大科研工作者的关注[24]。虽然采用溶剂热法制备银纳米线的报道较多，但是针对适合导电膜制备较为合适的银纳米线的合成的报道并不多见。
综上所述，本课题的目的在于采用溶剂热法重点研究聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和硝酸银的比例及氯离子与银离子的摩尔比对制备的银纳米线长度与直径的影响，并在采用旋涂的方法将最佳参数下制备的银纳米线涂敷成膜，获得具有较好抗弯折性能并可用于柔性电子器件的银纳米线透明导电膜。
2. 研究内容和预期目标
2.1主要研究内容
本课题首先制备出一种银纳米线，然后将银纳米线制备成电极材料。
课题第二步将制备出一种导电高分子材料，然后将电极材料和导电高分子材料封装成一种柔性电容式压力传感器。系统研究各种因素对压力传感器性能的影响规律，为制备高性能柔性电容式压力传感器奠定基础。
3. 研究的方法与步骤
3.1银纳米线的制备采用溶剂热法制备银纳米线，具体实验步骤为：
先配制0.22 mg/ml的氯化钠溶液5 ml。将1.6 g pvp溶解在50 ml乙二醇中，水浴加热搅拌溶解，温度设置为95 ℃。待pvp完全溶解后，用移液枪取一定量氯化钠溶液（其中氯离子与银离子的摩尔比分别控制为1:85，2:85，3:85与4:85）加入到pvp乙二醇溶液中形成均匀混合溶液a（此过程中忽略氯化钠溶液体积对整体体积的影响）。同时，取0.54 g agno3溶解在30 ml乙二醇中得到溶液b。接着，将溶液Ａ缓慢滴加到溶液Ｂ中得到均匀混合溶液Ｃ。最后将80 ml混合液Ｃ转移至100 ml反应釜中，将反应釜置于160 ℃下反应7 h，待反应结束且自然冷却到室温后，按体积比1:9取所得溶液与乙醇加入到离心管，将产物于1500 r/min下离心20 min，经多次离心除去小的银纳米颗粒、短的银纳米线和残余pvp。最终将得到的agnws溶于乙醇中得到浓度2 mg/ml银纳米线溶液。
3.2传感器的制作与测试配制固含量为7%的银纳米线分散液，采用以下两种方法进行涂布
4. 参考文献
[1]孙圣和.现代传感器发展方向[j].电子测量与仪器学报,2009,23(1):1-10.
[2]陆遥.传感器技术的研究现状与发展前景[j].科技信息,2009(19):31-32,35.
[3]刘敏,庄勤亮.智能柔性传感器的应用及其发展前景[j].纺织科技进展,2009(1):38-40,42.
5. 计划与进度安排
（1）2022.12.19-2022.12.30：查阅文献资料，撰写开题报告；
（2）2022.01.02-2022.01.13：设计实验步骤及工艺；
（3）2022.02.20-2022.04.15：完成相关实验；
