本文是一篇机械论文，笔者提出了一种利用分层结构与屏蔽设计来实现多功能传感器中各传感单元有效解耦的方法，减弱了互相之间的信号干扰，为多功能传感器传感单元的解耦研究提供了新方法。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
新科学技术革命的快速兴起与发展将人类带入了信息时代，深刻地改变了人们的生活方式与社会活动。处于信息时代中的个人、社会、国家以及世界的发展都离不开对信息资源的获取、传递和处理。以信息的感知与传递为核心的传感技术，是现代信息技术的三大柱石之一。
传感器是获取信息的基础工具，其主要功能是在不同的使用环境与使用需求下，对外界信息进行感知并将其通过一定技术处理换为易识别的特定信号（如光、电信号等），是传感技术的源头与核心[1]。传感器已经成为人们在科研、生产和生活等诸多领域不可或缺的关键器件。传感器的设计与制造考验着一国的信息技术发展水平与工业制造能力，它的质量决定着系统的可靠性，是一个国家在军事、航天和深潜等尖端领域发展的重要制约因素，在一定程度上，传感器的先进程度反映着一个国家在科技上的投入与信息发展水平[2]。
现代传感器技术已与数字处理、计算机、半导体和物联网等科学领域构成交叉网络，形成了一门新兴的交叉学科，涉及到仿生、物理、化学、声、力、光、电、材料与生物等众多学科[3]。但其核心技术架构仍然不变，仍是通过敏感材料的各种特性（物理、化学、生物特性）将复杂的非电信号转化为可测量易甄别的电信号。所以，技术的换代、工艺的更迭、材料的革新以及理论的开发，都是使得传感器向着微型化[4, 5]、智能化[6-9]和多功能化[10-13]发展的重要推力，实现更高效率的转化仍然是传感器研究领域不变的追求。目前，多功能传感器的开发已经在现代传感器研究中形成了重要趋势，引起了相关科研人员的广泛重视，开展了相当多的研究。
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1.2多功能传感器研究现状
自1985年那篇以温度和湿度为研究对象、以多功能传感器为题的专利发表[18]，多功能传感器这个装置就受到了广泛的关注。温度、湿度和应变等一直都是与人类关联度最高的物理量，与之相关的传感器也是传感器研究领域中最多的。将监测温度、应变以及湿度的传感器集成为综合传感器可以更高效率地为人类服务。
西安交通大学的zhao团队[19]采用了特殊的硅表面微机械加工技术，将温度、湿度与压力单元集成，成功实现了多模态传感器的制备。如图1-2所示，对于温度和压力单元，采用离子注入的方式在刻蚀的膜片上形成扩散电阻，掺杂硅的载流子迁移率也会同温度发生同步变化并引起电阻值的变化，而压力的监测是通过硅的压阻效应实现的，但温度传感器和压力传感器共用电阻，这也使得压力传感器会受到温度干扰，因此采用图中的全桥结构来降低温度对压力传感器的干扰。对于湿度传感器，则是利用高分子聚酰亚胺材料吸附水分子之后电容介电常数的改变来显示湿度变化以实现湿度监测并使用叉指结构来增强湿度传感器的监测能力。
机械论文参考
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第二章 柔性石墨烯温度传感器的制备与性能研究
2.1 引言
温度传感器是将温度与敏感材料的某些特性建立联系，把温度的变化转换为敏感材料自身的特性改变，并输出可视化信号[50, 51]。柔性的温度传感器具有柔韧、轻薄、舒适和生物相容性等特点，在生理信号监测、医疗保健等领域具有重要意义[52-55]，特别是新冠疫情的爆发，使得柔性温度传感器变得越来越重要。
然而，目前市面上用于日常生活和生产中的商业电阻式温度传感器多采用半导体陶瓷材料或金属材料作为传统的温敏材料，例如Mn、Fe等金属氧化物烧结的NTC热敏电阻，V、Ge等元素的氧化物在弱还原气氛中烧结的CTR热敏电阻，Pt电阻和Cu电阻等。这些温敏材料制成的温度传感器通常都是陶瓷基底，无法变形，这就限制了该种类型温度传感器在某些特定领域的应用[56]，因此科研人员开始对新材料的柔性温度传感器进行探索。
石墨烯材料自2004年问世以来，全球的科研人员对其各方面特性展开了广泛的研究。凭借着特殊的二维平面结构和在热学、力学、电学、光学等方面极为优异的表现，使得石墨烯材料非常适用于柔性电子学领域，尤其适用于柔性传感器研究。石墨烯已经成为了未来最具革命性的新型材料。
本章基于石墨烯材料的石墨烯/CMC与石墨烯/CMC/PVP两种混合墨水和柔性的聚酰亚胺（PI）薄膜，采用直书写打印技术，制备了柔性电阻式石墨烯温度传感器，并先后研究了墨水种类与材料质量比例、传感器尺寸和基底对于传感器温敏特性的影响，并选取最佳温敏特性的温度传感器进行稳定性、重复性、迟滞和响应时间等性能测试，根据测试数据分析传感器温敏机理。
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2.2 打印墨水的制备
2.2.1 主要材料与设备
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表2-1中石墨烯导电分散液是以水作为溶剂，其中石墨烯片径约为1-5 mm，含量为5 wt%。CMC用作增粘剂以在制备墨水过程中调节墨水的粘度以满足针头挤出要求。PVP作为墨水的粘结剂，用来在墨水打印固化后将石墨烯片粘结在一起并始终粘附在基底上。
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第三章 石墨烯应变传感器的制备与性能研究 ............................... 25
3.1 引言 .......................................... 25
3.2 打印墨水的制备 ......................................... 25
第四章 氧化石墨烯湿度传感器的制备与性能研究 .............................. 35
4.1 引言 .................................................... 35
4.2 主要试验材料与设备 .................................... 35
第五章 直书写打印的石墨烯基柔性多功能传感器阵列 ............................ 45
5.1 引言 ....................................... 45
5.2 柔性多功能传感器阵列的设计与打印 ........................... 46
第五章 直书写打印的石墨烯基柔性多功能传感器阵列
5.1 引言
柔性传感器能够贴合不规则物体表面，适应不同状态，承受多次拉伸、弯曲和压力，具有更高的稳定性和可靠性，在健康检测、运动监测以及医疗保健等领域具有极大的应用潜力[124]。
柔性集成式多模态传感器是未来传感器技术发展的重要趋势，新兴的敏感材料、制备工艺和理论突破为多功能传感器的发展提供了强有力的支撑。多功能传感器可以在复杂多变的环境中同步监测与辨别各种不同的外部刺激，然而这类传感器可能会存在信号干扰问题，所以这类传感器设计中的一大难点就是解决各传感单元在相同测量状态下同时产生的不同类型信号之间的交叉耦合问题。其次，多功能传感器可能还存在使用次数的限制，这取决于传感器基底和敏感材料的性质。重复的高低温交替、高低湿交替以及高频次的弯曲拉伸之后可能会造成传感器性能的大幅度下降，出现信号失真、测试误差变大甚至传感器失效的情况。因此，柔性多功能传感器的开发受到了全球传感器科研工作者的广泛关注。
在设计传感器时，需要考虑到其在复杂环境下是否具备高灵敏度、快速反应能力、抗干扰能力以及低检测限度等特点以满足对特定响应信号的高分辨率接收与高效传输[125]。阵列是传感器应用上的特殊结构，通过电路设计达成电路简化，可以在有限的空间里让更多的传感单元实现互联，有利于多功能传感器的集成，还使得传感器结构更加紧凑[126]。阵列的使用可以实现多功能传感器的大面积覆盖，提升检测能力。基于前三章对温度、应变和湿度传感器的研究，综合各传感单元的尺寸与响应解耦考量，同时为了传感单元的集成化与阵列化探索，本节对多功能传感器进行阵列结构设计。
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第六章 总结与展望
6.1 研究内容总结
本文主要研究工作具体总结如下：
（1）利用石墨烯分散液、CMC、PVP配制两种（包含8种材料比例）混合墨水在聚酰亚胺（PI）基底上打印制备柔性电阻式石墨烯温度传感器。研究了墨水种类与比例、打印基底和打印尺寸对传感器温敏响应性能的影响，在此基础上得出由石墨烯分散液/CMC/PVP以质量比例40:1:10配置的混合墨水打印在PI薄膜上长×宽为5 mm × 0.5 mm的石墨烯温度传感器温度响应最佳。对该传感器在25 ℃ - 45 ℃范围内进行性能标定，测试结果显示制备的温度传感器电阻变化率随温度增加而线性下降，传感器灵敏度为2.63 %/℃，这比已报道的大部分基于石墨烯材料的温度传感器的灵敏度都要高的多。同时，在多次测试中，传感器呈现出良好的稳定性与重复性，而且迟滞也会随着升/降温次数的增加而逐渐减小，并最终稳定在5.51%。传感器从25 ℃ 升至45 ℃ 的响应时间为7.2 s，有利于对人体体温的快速检测，尤其适用于如今的疫情世界。
（2）使用石墨烯分散液、CMC和PDMS按一定质量比例配制混合墨水，将（1）中的两种墨水设为对照组，在聚氨酯（PU）板上打印电阻式石墨烯应变传感器。对制备的石墨烯应变传感器进行拉伸性能测试，结果表明，（1）中两种墨水打印的传感器虽然对温度响应灵敏，但是对应变响应很差，而且打印形状对应变的影响很小。而由石墨烯/CMC/PDMS混合墨水打印的应变传感器应变响应范围大，打印尺寸也不会影响到传感器对应变的响应。故以石墨烯/CMC/PDMS混合墨水打印的应变传感器进行下一步的研究，由传感器的多项性能测试可知，制备的石墨烯应变传感器电阻变化率随应变的增加而增加，并呈现三个响应阶段，对应的传感器的灵敏度GF分别为6.42、36.02和120.16。经过500次的应变加载/卸载循环测试后，应变传感器展现出优异的稳定性与重复性，且迟滞仅为10.79%。
参考文献（略）