基于聚二甲基硅氧烷的柔性压力传感器件及其阵列系统的设计与实现

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柔性压力传感器因其轻薄、可弯折、柔性可穿戴等优点,得到越来越多研究人员的重视,大量的柔性压力传感器被运用在可穿戴设备、机器人感知、医疗康复、生理体征监测等重要领域当中。电容式压力传感器因易于大面积加工、成本低廉等优点被广泛采用。多孔结构的压力敏感薄膜因无需昂贵的硅预制模板、可获得高的灵敏度受到大量关注。本论文首先从大面积多孔敏感薄膜的工艺和结构方面进行优化,制备出具有双层孔洞结构的敏感薄膜。接着利用该敏感薄膜制作出单个的压力传感器件以及大面积压力传感阵列。通过自制的电路板以及客户端软件,对传感器件的性能进行表征,并搭建了可用于人体坐姿监测的的软硬件系统。针对压力传感阵列,结合非线性拟合算法,对阵列中各像素点性能进行均一化处理的同时,将电容值转化为实际压强值显示。具体的工作如下:1.选择了聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性压力传感器的敏感层,通过改进制备工艺,获得了具有上层大孔、下层小孔的双层多孔结构压力敏感薄膜。相比于基于孔径更为均匀的薄膜所制备的压力传感器,基于该薄膜的传感器在微小压力下的灵敏性得到提高,同时能够在高压强下保持相似的性能,满足了更多的应用检测的需求。同时,为方便传感器的性能检测,开发了一套多通道的电容读取电路和手机端的显示软件。在此基础上,利用多个压力传感器件、检测电路和手机端的显示软件设计和实现了在座椅上坐姿的监测系统。2.利用改进工艺所制备的大面积压力敏感薄膜构建了柔性压力传感阵列,并针对压力传感阵列设计了数据采集硬件电路和手机端显示软件。针对压力传感阵列压强显示的需求以及阵列中各像素性能不均一的问题,提出了基于最小二乘法的校准方法,提高阵列中各像素性能的均一性的同时,将压力传感阵列的电容差值显示转换成压强显示。经校准后阵列中各像素的均一性得到提高(变异系数降低超50%),单个像素点经过校准,能够较为准确地直接得到不同质量砝码作用下的压力值。
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