學位論文

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    基於TPU/ILs/Li2CO3微結構陣列離子凝膠之可穿戴且高靈敏的壓力感測器研製
    (2025) 張智耀; Zhang, Zhi-Yao
    壓力感測器廣泛應用於智慧穿戴、生理監測、機器人觸覺系統與自動化控制等領域，隨著電子皮膚與人機互動技術的快速發展，具備高靈敏度、穩定性與可撓式的壓力感測器設計成為重要研究方向。本研究以此為出發點，提出一種新型離子電容式壓力感測器，藉由引入電雙層效應(Electrical Double Layer, EDL)，以有效提升其整體感測性能。研究採用熱塑性聚氨酯(TPU)為基底，添加碳酸鋰(Li2CO3, LC) 與([EMIM]+[TFSI]−)離子液體(IL)，製備TPU/IL/LC離子凝膠複合物介電層。在結構設計方面，運用3D列印製備倒金字塔結構之模具，接著以翻模技術製作出微結構陣列化的介電層，調整其結構尺寸與厚度參數來優化感測性能。實驗結果顯示，所製備之TPU/IL2.5感測器在低壓(0-130 kPa)範圍內具備64.49 kPa⁻¹的靈敏度，於中高壓(130-1400 kPa)區間則僅為4.04 kPa⁻¹。經Li2CO3改質後的TPU/IL2.5/LC0.20感測器在低壓範圍(0-130 kPa)內展現出高達211.57 kPa⁻¹的靈敏度，約為未改質感測器的3.28倍。此外，在130-550 kPa區間亦可達到104.26 kPa⁻¹的靈敏度，在550–1400 kPa區間則維持16.1 kPa⁻¹，顯示其於全壓力範圍內均具有大幅提升之靈敏度。TPU/IL2.5感測器具備最低檢測極限為0.052 Pa，而TPU/IL2.5/LC0.20感測器則進一步降低至0.047 Pa，顯示其微小壓力感測能力有所提升，解析度更高。此外，TPU/IL2.5/LC0.20感測器通過10000次壓縮與5000次彎曲循環測試，以及30天的長期穩定性測試，感測器依然維持穩定表現，展現出優異的可靠性與耐久性。在實際應用方面，TPU/IL2.5/LC0.20感測器可量測脈搏、呼吸、關節彎曲、水滴重量與氣壓微變等多種訊號，亦具備測量溫度與濕度之多功能感測效能。最後，透過CAV444 C-V轉換晶片、藍牙模組之整合與搭配Arduino控制板，即時將電容轉換成電壓訊號後傳輸至手機APP進行顯示，並成功應用於機械手臂之觸控暫停控制，顯示其作為撓性電子皮膚的潛力。整體成果證實本研究感測器具備高靈敏度、高穩定性與高可撓性，可提供未來智慧感測系統中材料設計、元件製作與應用整合潛力的可行解決方案。