【摘 要】
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随着智能电子产品的发展,柔性可穿戴触觉传感器在人工智能、医疗监测、人机交互等领域得到了广泛的应用。为了在与未知物体表面接触时,能够获得足够的触觉信息,触觉传感器必须具有较高的分辨率和灵敏度。然而,设计一种大规模、低成本、高分辨率的触觉传感器仍然是一个重大挑战。激光直写(LDW)技术是一种高效制备图案的工艺,具有精确、可编程和无需掩模的优点,可广泛应用于电子器件的制备。此外,该技术能够碳化聚酰亚胺(
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随着智能电子产品的发展,柔性可穿戴触觉传感器在人工智能、医疗监测、人机交互等领域得到了广泛的应用。为了在与未知物体表面接触时,能够获得足够的触觉信息,触觉传感器必须具有较高的分辨率和灵敏度。然而,设计一种大规模、低成本、高分辨率的触觉传感器仍然是一个重大挑战。激光直写(LDW)技术是一种高效制备图案的工艺,具有精确、可编程和无需掩模的优点,可广泛应用于电子器件的制备。此外,该技术能够碳化聚酰亚胺(PI)等高分子材料原位生成导电性能优异的图案化3D激光诱导石墨烯(LIG),且不涉及复杂的化学工艺。LDW技术制备的LIG是一种具有广阔应用前景的功能性材料,已引起了研究者们的广泛关注。因此,开发一种以图案化的LIG电极结构为基本单元的柔性、高分辨的阵列式触觉传感器是本论文的第一研究要点。此外,制备以图案化的LIG为工作电极的压阻传感器是本论文的第二研究要点。本论文的主要研究内容如下:(1)利用激光直写技术碳化PI生成导电性能优异的图案化的LIG电极,构建了一种柔性高分辨摩擦起电阵列传感器(TSA),用于运动轨迹的追踪和人机交互。基于激光直写技术的优点,我们构建了16×16单元分辨率为8 dpi的柔性交叉型TSA,应用于检测多点触摸、滑动和手指运动轨迹。该器件能够有效的将外部物体接触刺激转换为电学信号,通过多通道数据采集系统实现了触觉传感的实时可视化成像。图案化的LIG电极作为TSA的关键部分,其方块电阻仅有7Ωsq-1。此外,还探究了TSA的单个单元的输出电信号与有效接触面积的关系以及其耐久性和响应时间。该器件在单电极工作模式下,经过6000次接触分离循环后,电学性能输出稳定,响应时间约为69 ms。同时,以图案化LIG为工作电极,成功构建了一种基于摩擦纳米发电机的3×3数字阵列智能无线人机交互界面系统。该系统由3×3位数字阵列触控面板、信号处理和无线传输电路组成,可用于无线控制电子设备。该工作不仅为构建柔性高分辨摩擦起电阵列传感器提供了新的技术和方法,同时拓展了自驱动实时触觉传感成像以及可穿戴的人机交互界面等领域的应用。(2)利用LIG叉乘式电极结构和LIG/硅橡胶传感层,构建了一种结构简单、成本低、灵敏度高、具有分层结构的柔性压阻传感器。该压阻传感器具有~3.27kPa-1(200Pa~15kPa)的灵敏度、~200Pa的低检测限制、~10ms的快速响应时间以及在4000次循环后较好稳定性等优点。具有这些优异的性能的压阻传感器被应用于腕部脉搏、肌肉收缩、手指弯曲等生理信号的监测。此外,我们也构建了4×4阵列式压阻传感器,能够用于检测物体位置、物体接触轮廓以及压力分布等。柔性压阻传感器具有制作简单、灵敏度高、线性范围宽等优点,在健康监测、触觉传感和人机交互等方面具有广阔的应用前景。
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