可穿戴压力传感器的性能调控与应用研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zyf20011027
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近年来,可穿戴压力传感器在人机交互、智能机器人与虚拟现实等多种领域中展现出愈加广泛的应用潜力,得到了人们的广泛关注。为了拓宽其应用范围,发展高灵敏度、宽检测范围、快速响应时间与高循环稳定性的柔性压力传感器至关重要。然而,高灵敏度和宽检测范围这两个性能参数之间存在较大冲突。为了提高灵敏度通常采用弹性微结构增加应力集中,以提高电极与传感材料之间接触面积的变化;然而可压缩性的提高导致高压力范围下形变饱和,检测范围变窄。因此,如何构建具备高灵敏度和宽检测范围的压力传感器仍然是当前的一个挑战。基于此,本文进行一系列工作调控传感器性能,实现高灵敏度和宽检测范围,并对传感器的应用做了一系列研究展示,具体内容如下:1、设计了基于刚性微结构和石墨烯/聚合物膜的传感器,避免了传统弹性微结构在高压力下的变形饱和现象,能够在高压力下实现有效响应,检测范围达到1.4MPa;同时,微结构提高了聚合物膜和电极之间接触面积的变化,保证了相对较高的灵敏度。探究了聚合物模量及石墨烯/聚合物膜的薄层电阻对传感器性能的影响,实现了传感器性能的可调控。该压力传感器具有超宽检测范围、较高灵敏度、超快响应时向、和长期测试稳定性等优势,在人体脉搏监测、运动和步态检测等方面表现出较大的应用价值。基于此压力传感器设计的加速度计在人体手势识别、车辆运行安全监测等领域具有潜在的应用。2、模仿人体皮肤的汗毛-表皮-真皮结构,提出了基于气凝胶-微结构锌电极的电子皮肤压力传感器,获得了超高的灵敏度及较大的线性检测范围。利用了原位化学还原和离子诱导界面凝胶法在电沉积的锌层表面自组装了一层复合rGO/PEDOT:PSS多孔薄膜得到气凝胶电极,将两个气凝胶电极面对面组装为压力传感器。由于多级微结构的存在,实现了超高的灵敏度(137.7 kPa-1)及较宽得线性传感范围(0-30 kPa)。同时,传感器能准确地检测100 Pa以下的微小压力,具有快速响应及恢复特性,并表现出长时间的测试稳定性,在脉搏检测和声音识别方面具有潜在的应用价值。3、基于橡胶体的泊松效应对纵向力的膨胀放大原理设计了压电传感器。将压电PVDF薄膜卷绕在橡胶体外侧,泊松效应将施加于橡胶体的纵向压力转化为作用于PVDF膜的水平拉伸力,同时将力的大小放大数倍。相比于传统平面结构的压电传感器,压电响应和灵敏度得到明显提升。采用了单轴拉伸的PVDF压电薄膜,不止提高了β相含量,且有助于轴向力学性能的提升,从而实现超大的检测范围。除此之外,传感器可以对压力的动态过程进行分析,检测压力的施加频率、加载速度与卸载速度的快慢等,在对人体足部运动分析时表现出较大的优势。由于其具备优异的压电性能,也可用作压电发电机作为电源对电容器充电和点亮LED灯,在能源收集与纳米发电机领域有着较大的应用潜力。4、为了实现大压力范围内静态压力和动态压力的检测与分析,采用PVDF作为压电膜,PU/Au薄膜作为压阻响应薄膜,将二者卷绕在橡胶体外侧制备了压电-压阻复合双模式压力传感器。在本章中,压阻传感器具备较快的响应时间、较大的检测范围与良好的测试稳定性,能够与压电传感器相结合进行静态压力-动态压力的同时检测。基于以上优点,将传感器集成于足底可用作人体运动的步态与步频分析,有望在人体运动检测、运动康复等领域展现出较大的潜力。
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