基于柔性触觉传感器的足底压力分布研究
发布时间：2021-01-10 00:53
近年来柔性电子学快速发展,已经成为未来生物医疗领域的重要革新手段,柔性触觉传感器对可穿戴式的医疗设备产生了颠覆性的影响。足底压力分布能够反映足部受伤或病变,被广泛应用于健康监测和医疗诊断当中。但往往受限于检测设备不便携、价格昂贵的缺点而没有被广泛应用。针对这一问题,相关人员提出使用柔性触觉传感器检测足底压力分布。柔性触觉传感器具有柔软、可拉伸、更好的贴附性等优点,但目前的大多数性能优良的器件加工成本高、检测范围小、容易破损导致无法发挥其应用优势。为此,本论文通过使用导电织物和微孔滤膜制作了电容式柔性触觉传感器并进一步制作了足底压力分布测量鞋垫解决上述问题。本文使用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐活化微孔滤膜得到活性介电层与织物电极组装后形成三明治结构的离子型电容式柔性触觉传感器。通过调控离子液体负载量对器件进行优化,该器件在0-25 k Pa时器件的灵敏度为0.14 k Pa-1,在25-300 k Pa时降至0.012 k Pa-1。器件的响应时间小于100 ms,能够对20 Pa以上的压力产生反馈,能承受3000次循环加载而保持稳定。此外,该器件具有制备工艺简单、原料易得,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传感器原理示意图[14]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-1.2.1.3压电式柔性传感器电容压电效应最早是由Curie兄弟在1880年发现，在报告中指出有一些特殊的电介质材料，当受某一特定方向上的外力作用而发生变形时，就会在材料内部产生极化形成偶极矩，于是在相对表面出现异种电荷形成电常即在压力作用下形成了电场，当外力作用消失，又恢复到原来电中性状态，这一现象就称为（正）压电效应[21]。在柔性传感器领域，最为典型和广泛应用的是铁电聚合物材料聚偏氟乙烯（Poly(vinylidenefluoride)，PVDF）。紧凑的线性分子结构，使之具有半结晶性和特殊的物理性能。β型PVDF具有独特的结构使得分子具有最大的偶极矩，因此相比于其他各种聚合物其极化效应最大，但β型PVDF的制备工艺相对复杂[22]。由于β型PVDF极佳的压电特性、柔性和良好的加工性能适合制备柔性传感器。压电效应用于测量动态信号，但压电传感器的测量电路及设备复杂，空间分辨率较差的特点限制了其应用发展。1.2.1.4摩擦电式柔性传感器摩擦生电的原理和现象都为大众所知，摩擦纳米发电机技术是一种重要的新能源技术。摩擦电式传感器是基于摩擦生电以及静电感应的原理，将外部的机械刺激如压力、摩擦等转化为电信号的光电子器件。自王中林发明摩擦纳米发电机以来，摩擦电子学的产生推动了主动式柔性传感器的发展。摩擦电信号产生的形式主要有四种[23]，如图1-2所示。图1-2四种工作模式[23]a)垂直接触式；b)水平滑动式；c)单电极式；d)独立层式（1）垂直接触式摩擦电式传感器中最为常见的一种形式，主要是通过不同材料在摩擦电序
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-7-1.2.2柔性触觉传感器的基本性能柔性触觉传感器其独特的柔性特征为可穿戴性提供了基础，同时优良的触觉感知能力使之可以应用于脉搏监测、足底压力测量以及肌电信号监测等。因此柔性触觉传感器的基本性能包括其基本的机械性能以及传感性能。柔性触觉传感器的特殊机械性能需要保证在使用环境下的耐受性。1.2.2.1机械性能（1）可拉伸性拉伸性质主要取决于材料的力学性质，同时有研究表明通过对不可拉伸硬质材料进行特殊的结构设计，也可以使之具有一定的可拉伸性能。例如通过将纳米级网格与一维的波纹结构相结合，从而设计并制造了一种高度可拉伸的透明电极，亦有研究者使用中国明间传统的剪纸术和折纸术方法制作可拉伸电极和器件。在拉伸过程中，材料截面处受到拉应力，引起应变呈现出拉伸状态。因此通过合理的材料选择及结构设计制作具备可拉伸性能的柔性传感器，拉伸性可以通过材料所能承载的应变（ε）进行表征，可以通过公式（1-3）进行计算：ε=(l-l0)/l0×100%(1-3)式中ε——应变（%）；l0——受拉样品的初始长度（mm）；l——受拉样品的最大拉伸长度（mm）。（2）弯曲性柔性传感器具有极好的顺应各类形状表面的能力。传感器的柔软可以承受变形的特性为此提供了保证。对于传感器弯曲特性的表述，一般通过其弯曲曲率/曲率半径进行表征，曲率半径越小，则说明器件可承受弯曲变形的程度越大。对于柔性传感器，我们假定传感器在弯曲时变形为圆弧形，如图1-3所示。图1-3器件弯曲示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于银纳米线/PDMS微结构复合电介质的柔性透明电容式压力传感器及其在穿戴式触摸键盘的应用（英文）[J]. 史瑞龙,娄正,陈帅,沈国震. Science China Materials. 2018(12)
[2]足底压力与糖尿病[J]. 查盼盼,Raju Bista,王椿. 华西医学. 2018(05)
[3]鞋靴对足底压力分布影响及其舒适度研究进展[J]. 张勤良,倪朝民. 中国康复医学杂志. 2012(02)
[4]脑卒中足下垂及足内翻的足底生物力学特征研究[J]. 刘刚,吕长生,袁立霞. 中华中医药学刊. 2010(07)
[5]正常中国成年人足底压力分析[J]. 王明鑫,俞光荣,陈雁西,杨云峰,黄四平,胡孙君. 中国矫形外科杂志. 2008(09)
[6]足底压力分布测量系统及临床应用[J]. 袁刚,张木勋,张建华,程家明,闫世强,徐向东,景创新. 中国康复. 2003(01)
[7]人体步态分析系统──足底压力测量系统的研制[J]. 韦启航,陆文莲,傅祖芸,卢世璧. 中国生物医学工程学报. 2000(01)
硕士论文
[1]基于PVDF压电薄膜足底压力测量系统研究[D]. 赵伟博.哈尔滨工程大学 2016
本文编号：2967738
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传感器原理示意图[14]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-1.2.1.3压电式柔性传感器电容压电效应最早是由Curie兄弟在1880年发现，在报告中指出有一些特殊的电介质材料，当受某一特定方向上的外力作用而发生变形时，就会在材料内部产生极化形成偶极矩，于是在相对表面出现异种电荷形成电常即在压力作用下形成了电场，当外力作用消失，又恢复到原来电中性状态，这一现象就称为（正）压电效应[21]。在柔性传感器领域，最为典型和广泛应用的是铁电聚合物材料聚偏氟乙烯（Poly(vinylidenefluoride)，PVDF）。紧凑的线性分子结构，使之具有半结晶性和特殊的物理性能。β型PVDF具有独特的结构使得分子具有最大的偶极矩，因此相比于其他各种聚合物其极化效应最大，但β型PVDF的制备工艺相对复杂[22]。由于β型PVDF极佳的压电特性、柔性和良好的加工性能适合制备柔性传感器。压电效应用于测量动态信号，但压电传感器的测量电路及设备复杂，空间分辨率较差的特点限制了其应用发展。1.2.1.4摩擦电式柔性传感器摩擦生电的原理和现象都为大众所知，摩擦纳米发电机技术是一种重要的新能源技术。摩擦电式传感器是基于摩擦生电以及静电感应的原理，将外部的机械刺激如压力、摩擦等转化为电信号的光电子器件。自王中林发明摩擦纳米发电机以来，摩擦电子学的产生推动了主动式柔性传感器的发展。摩擦电信号产生的形式主要有四种[23]，如图1-2所示。图1-2四种工作模式[23]a)垂直接触式；b)水平滑动式；c)单电极式；d)独立层式（1）垂直接触式摩擦电式传感器中最为常见的一种形式，主要是通过不同材料在摩擦电序
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-7-1.2.2柔性触觉传感器的基本性能柔性触觉传感器其独特的柔性特征为可穿戴性提供了基础，同时优良的触觉感知能力使之可以应用于脉搏监测、足底压力测量以及肌电信号监测等。因此柔性触觉传感器的基本性能包括其基本的机械性能以及传感性能。柔性触觉传感器的特殊机械性能需要保证在使用环境下的耐受性。1.2.2.1机械性能（1）可拉伸性拉伸性质主要取决于材料的力学性质，同时有研究表明通过对不可拉伸硬质材料进行特殊的结构设计，也可以使之具有一定的可拉伸性能。例如通过将纳米级网格与一维的波纹结构相结合，从而设计并制造了一种高度可拉伸的透明电极，亦有研究者使用中国明间传统的剪纸术和折纸术方法制作可拉伸电极和器件。在拉伸过程中，材料截面处受到拉应力，引起应变呈现出拉伸状态。因此通过合理的材料选择及结构设计制作具备可拉伸性能的柔性传感器，拉伸性可以通过材料所能承载的应变（ε）进行表征，可以通过公式（1-3）进行计算：ε=(l-l0)/l0×100%(1-3)式中ε——应变（%）；l0——受拉样品的初始长度（mm）；l——受拉样品的最大拉伸长度（mm）。（2）弯曲性柔性传感器具有极好的顺应各类形状表面的能力。传感器的柔软可以承受变形的特性为此提供了保证。对于传感器弯曲特性的表述，一般通过其弯曲曲率/曲率半径进行表征，曲率半径越小，则说明器件可承受弯曲变形的程度越大。对于柔性传感器，我们假定传感器在弯曲时变形为圆弧形，如图1-3所示。图1-3器件弯曲示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于银纳米线/PDMS微结构复合电介质的柔性透明电容式压力传感器及其在穿戴式触摸键盘的应用（英文）[J]. 史瑞龙,娄正,陈帅,沈国震. Science China Materials. 2018(12)
[2]足底压力与糖尿病[J]. 查盼盼,Raju Bista,王椿. 华西医学. 2018(05)
[3]鞋靴对足底压力分布影响及其舒适度研究进展[J]. 张勤良,倪朝民. 中国康复医学杂志. 2012(02)
[4]脑卒中足下垂及足内翻的足底生物力学特征研究[J]. 刘刚,吕长生,袁立霞. 中华中医药学刊. 2010(07)
[5]正常中国成年人足底压力分析[J]. 王明鑫,俞光荣,陈雁西,杨云峰,黄四平,胡孙君. 中国矫形外科杂志. 2008(09)
[6]足底压力分布测量系统及临床应用[J]. 袁刚,张木勋,张建华,程家明,闫世强,徐向东,景创新. 中国康复. 2003(01)
[7]人体步态分析系统──足底压力测量系统的研制[J]. 韦启航,陆文莲,傅祖芸,卢世璧. 中国生物医学工程学报. 2000(01)
硕士论文
[1]基于PVDF压电薄膜足底压力测量系统研究[D]. 赵伟博.哈尔滨工程大学 2016
本文编号：2967738
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