压电驻极体纳米发电机理论及敏感特性研究

发布时间：2020-05-12 03:11

【摘要】：物联网是继计算机、互联网之后的第三次信息产业浪潮,将在未来十年内重新定义人们的生活方式。在以人为中心的智能世界中,可穿戴传感网络是最贴近人体的物联网分支,可穿戴传感器是人与智能世界沟通的桥梁,通过可穿戴传感器,可以收集人体信息,或是向物联网发出指令等。压力是最常见的人体外显信号,机械能是人体周围环境中最普遍的能量形式,因此研究柔性可穿戴机电换能器件,收集、分析、利用人体(环境)机械信号具有十分重要的意义。本论文围绕压电驻极体材料,深入研究了其基本物理原理,通过理论分析和模拟仿真建立了压电驻极体纳米发电机理论体系,为后续器件设计提供了指导思路,进一步的,设计并优化了两种可穿戴传感器,拓展了压电驻极体在柔性可穿戴领域的应用。主要研究内容和成果概述如下:1.压电驻极体是一类具有压电性的多孔驻极体材料,它表现出与传统压电晶体类似的压电效应和逆压电效应,但其基本原理是基于驻极体内储存电荷的静电效应。电荷是压电驻极体的核心,一般由高压极化过程中的气体击穿放电产生,具有相反极性的电荷在上下孔壁的驻极体材料表面被捕获,于是正负电荷对形成类电偶极子,在材料压缩过程中表现出压电效应。压电驻极体的压电性能与其可压缩性直接相关,本文通过压电驻极体基本模型分析了材料弹性模量与其结构的关系,为压电驻极体的结构设计提供了思路。压电系数是衡量材料压电性能的重要指标,本文推导了压电系数d_(33)、开路压电系数g_(33)、逆压电系数K的表达式,揭示了电荷密度、杨氏模量等参数对材料压电性能的影响方式。2.本文建立了压电驻极体纳米发电机基本物理模型,计算了器件内部电荷、电场、电势分布情况,并推导了器件输出性能公式。分别模拟了匀速、余弦压缩模式,从结构参数、材料参数、负载、外部激励等方面研究了各项参数对器件输出性能的影响。进一步的,为了深入研究器件内部物理场变化情况,本文通过有限元仿真的方式,研究了外力压缩情况下的器件内部应力分布、应变分布、电场分布、电势分布等,揭示了器件工作过程中的内部物理变化本质。3.本文采用膨化、极化法制备了多孔聚丙烯压电驻极体薄膜,进一步开发了基于多孔聚丙烯的压电驻极体声纹传感器,并通过偶极取向控制的方法,调控多层孔中的偶极子极化状态,提升了器件输出电流及传感器灵敏度。在单频声学测试中,研究了器件输出与声波信号频率、声压级的关系,表征了器件的弯曲特性、方向性、稳定性。在复合频率的声波刺激下,器件表现出高信噪比(约20)和高声能比(约10),体现了它在声音传感和声学特征识别中的巨大潜力。本文利用声纹传感器构建了一个声纹识别系统,实现了说话人声纹特征和语音内容的双重识别,展示了该器件在非接触式生物识别和安全管理系统中的广阔应用前景。4.本文利用具有较高储存正、负电能力的COC、THV驻极体,结合PDMS弹性体作为支撑层,制备了具有标准结构的THV/COC压电驻极体压力传感器。研究了具有非对称正负电荷分布的压电驻极体,揭示了器件电压输出与器件内部初始电场的直接联系,研究表明更高的电荷密度可以有效提升电场,从而获得更高的电压输出。基于驻极体电荷储存原理,本文利用淬火的方法提升了THV的负电储存能力;基于压电驻极体理论,本文通过设计PDMS支撑阵列的结构,降低了器件杨氏模量,提升了电压输出和灵敏度(30 mV/kPa),同时提升了线性压力响应范围(150 kPa)。THV/COC压电驻极体压力传感器被用于可穿戴领域中的大范围压力检测,拓宽了柔性大压力传感器的应用范围,促进了柔性可穿戴传感网络的发展。
【图文】：

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图 1-1 高性能传感器发展趋势。定了物联网的九大应用场景：人体、住房、零售环城市、户外环境，其中人是物联网的中心，物联网在络（WearableSensingNetwork）的方式实现，贴附在穿戴传感器及其配套电路系统共同构成了可穿戴传疾病、增强体质、提高生产力。根据高德纳（Gartn场规模将稳步提升，预计到 2021 年，全球将卖出 5全球可穿戴设备销售将创造 550.61 亿美元的营收（ IDC（InternationalDataCorporation）的数据显示，预产品将占全球可穿戴市场份额的 80%左右（图 1-2于产品提供的运动和睡眠追踪、心跳脉搏等健康监为最贴近人体的物联网分支，具有巨大的市场前景

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图 1-1 高性能传感器发展趋势。麦肯锡公司设定了物联网的九大应用场景：人体、住房、零售环境、办公室、工厂、工地、车辆、城市、户外环境，其中人是物联网的中心，物联网在人体方面的功能以可穿戴传感网络（WearableSensingNetwork）的方式实现，贴附在人体周围或植入到体内的各种可穿戴传感器及其配套电路系统共同构成了可穿戴传感网络，，可以监测人体健康、预防疾病、增强体质、提高生产力。根据高德纳（Gartner）咨询公司的数据[6]，可穿戴市场规模将稳步提升，预计到 2021 年，全球将卖出 5.04 亿台可穿戴设备（图 1-2a），全球可穿戴设备销售将创造 550.61 亿美元的营收（图 1-2b）。来自国外权威数据机构 IDC（InternationalDataCorporation）的数据显示，预计到 2021 年，智能手表、智能手环产品将占全球可穿戴市场份额的 80%左右（图 1-2c），分析认为，未来的增长将来自于产品提供的运动和睡眠追踪、心跳脉搏等健康监测功能。可见，可穿戴传感网络作为最贴近人体的物联网分支，具有巨大的市场前景。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM31

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