接觸效應在可設計外型CNT/PDMS複合材料壓阻感測元件之研究

Abstract

由於應變感測器受力變形後電訊號會發生變化，可藉由判讀電訊號來偵測變形情況。而在過去感測器的研究中，常常探討其對壓力的靈敏度或內部結構對電訊號的影響。由於聚合物具有柔軟特性，本研究將多壁奈米碳管作為導電填料與其混合，製作成應變感測器。為了提高感測器變形時結構接觸對電阻的影響，本研究透過模具設計，翻模出具有不同重複性結構的CNT/PDMS複合材料，利用此複合材料變形時結構的接觸來控制電阻響應。除此之外，本研究也使用有限元素分析軟體COMSOL模擬變形後幾何並計算電阻，驗證實驗結果。 為了提高感測器機械與電性質的可設計性，本研究使用光固化3D列印來製作模具，利用模具翻模出具有不同表面結構的CNT/PDMS，並以三種變形模式進行電阻量測。 在彎曲模式中，在矩形平板上設計重複性三角形、重複性梯形及具間隔之三角形，量測平板彎曲時的電阻。藉由彎曲時不同表面結構的接觸情形來產生不同電阻響應。 在壓縮模式中，在單一六邊形、重複性六邊形內設計不同曲率結構，量測六邊形壓縮時的電阻。藉由不同曲率的接觸面積變化來產生不同電阻響應。 在拉伸模式中，在單一六邊形內設計不同梯形結構，藉由拉伸使結構碰觸並量測電阻。 本研究藉由設計不同結構獲得不同之電阻-變形響應。在彎曲模式中，具重複性三角形之平板電阻呈線性下降；具重複性梯形之平板電阻於小變形線性下降，並在大變形趨緩；具間隔三角形之平板電阻呈現類似開關切換on/off之特性。在壓縮模式中，結構的曲率越小，樣本的電阻變化幅度越大，並且將單一六邊形重複排列也有相同結果。在拉伸模式中，藉由不同梯形結構使電阻在小變形或大變形時切換，同時也類似開關特色。實驗結果也與模擬相似。本研究藉由三種變形模式進行感測，透過設計各種結構，當感測器變形時產生不同的接觸情形來控制電阻-變形響應，期望能提升感測器的可設計性。