电场力驱动预制结构流变成形的气压传感器制备方法研究

Satisfying the requirements of online monitoring with medicine packaging and sensing the lower airflow of leakage, a better sensitivity PVDF/CNTs cone-type pillar arrays pressure sensor is proposed. To prepare the piezoelectric PVDF cone-type pillar arrays on sensor's substrate, a process conceive is proposed that the polymer is induced into the initial arrays structure by the electro-capillary force, and then stretched into well-aligned cone type pillar arrays with high aspect ratio in the strong electric field. The concrete research contents include: the device structures model and parameter; the new micro-structuring composition process for preparing piezoelectric PVDF cone-type pillar arrays; exploration the influence of energy on the polymer crystallization orientation and micro-structure; investigation the influence of electric field-driven PVDF polymer rheological stretching on piezoelectric properties and electromechanical conversion of materials; the relation micro-structure and device performance. The results provide the theory evidence for preparation PVDF/CNTs cone-type pillar arrays pressure sensor.

药品包装过程急需密封性在线检测，而常规传感器难以高灵敏度感知微弱泄漏气流，项目提出一种具有高灵敏度的PVDF/CNTs锥形微柱阵列气压传感器。针对直接在器件工作基底制备具有压电性能的PVDF锥形微柱阵列结构的困难，提出一套新工艺构想：通过电毛细力诱导聚合物形成预制阵列结构，然后在电场力驱动作用下聚合物流变拉伸形成垂直取向、均匀有序的锥形微柱阵列结构。研究锥形微柱阵列传感器的结构模型，确定结构参数；研究制备PVDF锥形微柱阵列结构的"成形控性"新工艺，阐明外能场及内聚能对PVDF结晶生长、取向及微结构形成的影响机理，揭示电场力驱动PVDF流变拉伸行为对材料压电性能和器件力电转化性能的影响规律；研究微结构和器件性能间的相互关系。通过上述问题的研究，为实现高灵敏度PVDF/CNTs锥形微柱阵列气压传感器的制备提供了理论依据和科学基础。

面向包装在线检测的需求，针对常规传感器感知微弱气流的困难，提出了具有高灵敏度的PVDF及其共聚物微柱阵列气压传感器。针对直接在器件工作基底制备具有压电性能的微柱阵列结构的困难，通过电场力驱动预制结构形成垂直取向、均匀有序的微柱阵列结构。.研究了PVDF聚合物微阵列结构对传感器的力电转换效率及灵敏度的影响；揭示了微阵列结构几何形状及参数对传感性能的影响规律，提出了基于锥形微阵列结构的高灵敏度气压传感器结构模型。. 研究了电驱动聚合物流变成形制备PVDF微阵列结构的工艺方法。开展了电场力驱动热压印预制结构制备高深宽比PVDF聚合物微阵列结构；电场力驱动热压印预制结构制备锥形微阵列结构；电场力驱动制备PVDF/CNTs碳管锥形核壳微阵列结构；AAO模板压印工艺制备PVDF-TrFE柔性纳米线阵列。. 揭示了PVDF聚合物微阵列结构电驱动成形中的流变规律，提出了PVDF聚合物微阵列结构电驱动成形的控制方法。研究了PVDF聚合物微阵列结构电驱动成形中的关键因素及局限性。理论分析及实验结果表明，PVDF聚合物的介电性能、预制结构与模版之间的间隙、驱动电场场强及加载时间、温度、碳管表面的界面作用是影响PVDF聚合物微阵列结构成形质量的关键因素。. 揭示了电场对PVDF结晶生长、取向及微结构形成的影响机理；开展了PVDF聚合物材料介电性能的研究，揭示了碳管簇和聚合物之间在电场作用下的界面作用；探索了化学修饰碳管调控碳管簇和聚合物之间在电场作用下的界面作用。开展了力电转换性能测试、模拟气流环境测试、脉搏监测实验，通过实验测试结果分析了微结构和器件性能间的相互关系。. 项目研究结果对压电聚合物定向生长成形理论及PVDF 聚合物微柱阵列传感器的制备提供理论依据和科学基础，在微弱气流检测、人体健康监测方面具有重要的工程应用前景。