納米ZnO-PDMS復合薄膜力敏特性研究.pdf

1、力學敏感單元作為力學傳感檢測技術的核心單元，力敏傳感技術在航空航天、工程設施、醫(yī)療、石油開采等生活、生產(chǎn)的各個領域都存在廣泛的應用。近年來隨著納米科技的發(fā)展，尤其是金屬納米結構的體效應和超高敏感特性研究發(fā)展，結合納米復合材料的物理量子隧穿機理，納米復合材料在電學、超高力學、生化敏感等方面成為國內(nèi)外人員的研究熱點。半導體材料 ZnO具有良好的壓電、壓阻特性，在納米發(fā)電、納米傳感等方面有著廣泛的研究，且作為半導體材料，其靈敏度因子比金屬高約

2、1～2個數(shù)量級。因此結合納米結構的超高靈敏特性以及 ZnO半導體材料的高靈敏度因子，能實現(xiàn)對力學參量的超高靈敏檢測。
　　本文研究了納米ZnO/PDMS復合薄膜的制備，以及復合薄膜在加速度計中的應用。以納米 ZnO顆粒為填充粒子，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為聚合物，采用機械共混法制備了納米 ZnO/PDMS復合薄膜，并對復合薄膜的制作工藝、微觀結構及力敏性能進行了研究；并循序漸進地設計了復合薄膜在1g加速度內(nèi)的力敏特性測試。經(jīng)過

3、大量實驗，制備了良好力敏性能的復合薄膜；最后，將該復合薄膜應用到加速度計中。其主要內(nèi)容歸納如下：⑴在復合薄膜的制備方面：研究和開發(fā)了以納米 ZnO顆粒為填充粒子、以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為聚合物，且經(jīng)30℃×2h超聲處理，制備了納米ZnO/PDMS復合薄膜。并且，通過納米 ZnO表面改性來解決在聚合物中的分散性。研究表明，通過多次反復試驗改變 ZnO與PDMS的比例，可以很好地調(diào)節(jié)其電子輸運特性以及電阻和電容的應力敏感特性，可以為該

4、類型的力敏材料在不同的力敏傳感技術領域中的應用提供新的研究思路。⑵在ZnO復合薄膜結構表征和力敏特性測試方面：利用掃描電子顯微鏡（SEM） JSM-6700F對復合薄膜結構進行了觀察，發(fā)現(xiàn) ZnO顆粒能夠在聚二甲基硅氧烷基體中均勻分散，并能夠形成不規(guī)則的導電網(wǎng)絡結構。在實驗測試方面，首先設計了Agilent4156C半導體特性分析儀及 Agilent4284A所組成的加壓測試系統(tǒng)來進行力敏特性測試。測試結果顯示，納米ZnO/PDMS復合

5、薄膜在100KHz頻率范圍內(nèi)的力敏性能較好。隨著濃度的增加，復合薄膜的力敏敏感度增強，通過對復合薄膜的電阻，電容及靈敏度因子的測量，得出ZnO復合薄膜的壓阻靈敏度因子達到434（10nm，70％），壓電容靈敏度因子達到4.88（10nm，70%），復合薄膜具有良好的應力敏感特性。并得出影響復合薄膜壓-阻和壓-電容特性的關鍵因素是復合薄膜中的納米顆粒的含量的多少和尺寸的大小。⑶應用方面：對加速度計的敏感元件進行了設計，對加工出來的加速度計