压电纳米发电机在3D动态传感及人机交互中的应用
发布时间：2021-06-21 08:28
近年来,随着智能化进程的发展,柔性可穿戴设备及传感装置有了越来越多的研究。但是,柔性环境下的信号采集与处理存在信号采集分辨率较低、环境适应性差、信息流狭窄等缺陷。为了提高传感系统的灵活性与传感性能,利用自供电压电纳米发电机进行了高分辨率阵列信号传感与人机交互中姿态跟踪,探究了电极信号的干扰机制与校正措施。利用高压静电纺丝技术制备了聚偏二氟乙烯（PVDF）压电纳米发电机,分析了PVDF薄膜的压电效应及传感原理、热释电效应及传感原理,建立了传感器有限元模型及等效电路模型。以聚酰亚胺薄膜制备的柔性板为接触层,实现了多位点信号传感。进行纳米发电机压电和热电特性分析,得到了传感器线性工作区与极限工作状态。通过建立的压电/热电信号之间的映射关系,可以从复合信号中有效提取压电分量和热电分量。通过对信号响应期与恢复期的分析,实现对复合信号的校正与解耦。进行了传感器电极的同步性与信号干扰测试,分析了传感器结构引起的传感误差。制备的PVDF柔性多位点触觉/热觉传感器可以将外部压力/热辐射刺激映射为输出电压/电流信号,并在三维界面上动态观察响应分布,实现了图像感知与动态目标跟踪,同时记录被跟踪目标的二维运动...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
纳米发电机的应用
极表面的电荷恢复正常[35,36]。通过敷设在压电材料顶部和底部的两个电极，利用压电效应极化电荷和产生随时间变化的电场来驱动电子在外电路中流动，可以实现微能量的供给与电信号的监测[37]。2006年王中林首次提出利用竖直结构的氧化锌纳米线来制备压电式纳米发电机，这一款压电纳米发电机较为简单，但是有开创性的突破。在最近的几年里，压电纳米发电机被广泛的研究应用，在发电效率上有显著提高，同时在传感器的应用方面也越来越广泛。在压电纳米发电机的研究中，主要是对影响纳米发电机的因素进行性能的改进提高。如图1-2所示，Hu等人探究了在不同的压电矩阵中，铁电和压电特性对输出特性有重要的影响。不同的表面形态、不同的化学掺杂、不同的基底等，都对输出性能产生一定的影响，也是改善纳米发电机性能的重要途径[38-41]。复合材料增强输出功率，并提高能量收集和自供电感应的灵活性复合薄膜材料不同压电阵列铁电和压电特性对输出性能的重要作用不同表面形态形态导致性能输出的差异更换基板提高性能输出和柔性的合适基材化学掺杂化学掺杂改变压电晶体的应力和应变图1-2压电纳米发电机性能影响因素3
青岛大学硕士学位论文1.2.2柔性动态传感及应用随着智能化水平的提高，智能传感器技术越来越多的应用于可穿戴设备及智能化产品中[42]。为了模拟皮肤感应的机械和热刺激功能，多功能传感器具有更大的应用潜力[43]。可拉伸的传感器件可以在粗糙的附着物上面进行工作，也可以在光滑的物体表面的工作，这样的兼容性大大改观了传统器件刚性连接方面的局限性。尤其是薄膜系统，由于其低成本和柔韧性，在状态监测、人机交互和仿生医疗设备中具有广泛的应用[44,45]。如图1-3所示，在人体可穿戴设备中用于心脏监测[46]、腰部呼吸传感装置[47]、柔性助听器[48]等人体柔性环境下的应用[49-51]。听力辅助手势感测喉关节监测心脏传感腰部呼吸传感器可穿戴自供电装置图1-3纳米发电机在柔性智能传感方面的应用随着现代电子信息技术的发展，传感器的性能及使用场合也越来越受到人们的关注，开发灵敏度高的传感材料在科学界是一个持久的研究方向。纳米材料作为一种新兴材料，因其优良的特性而倍受传感材料领域的青睐。其中静电纺丝纳米纤维因拥有高比表面积、透气性好等优点而非常适合于用作传感材料，再加上电纺材料的多样性和复合性，在传感器领域取得了很大的成果[52,53]。作为一种聚合物材料，聚偏二氟乙烯（PVDF）在性能上具有很大优势。与常规的无机材料相比，PVDF的化学稳定性高，耐腐蚀性强；弯曲和拉伸性能好，具备一定的柔性；压电电压常数高，对于应力的输出响应较为明显，便于传感系统中数据的采集和分析[54-57]。经过静电纺丝的PVDF纳米纤维在高电场下的拉伸过程中会形成β相，可直接用于发电和传感，而无需常规极化。4
【参考文献】：
期刊论文
[1]PVDF压电传感器及敏感单元设计关键技术[J]. 张旭,覃双,杨舒棋,彭文杨,赵锋,于君,钟斌. 高压物理学报. 2020(02)
[2]摩擦纳米发电机及其应用[J]. 毕晨,安一博,苑华翯,纪晓婧,许国贺,马晶军. 微纳电子技术. 2020(03)
[3]基于阵列式触觉传感器的操作意图实时感知[J]. 李铁军,刘应心,刘今越,杨冬. 仪器仪表学报. 2020(01)
[4]基于静电纺丝法制备P（VDF-TRFE）/石墨烯（GR）薄膜的柔性复合压电纳米发电机[J]. 骆懿,廖家明,于洋,吴颖. 传感技术学报. 2020(02)
[5]多空间分辨率自适应特征融合的相关滤波目标跟踪算法[J]. 汤张泳,吴小俊,朱学峰. 模式识别与人工智能. 2020(01)
[6]一种采集风能的多层薄膜颤振混合纳米发电机[J]. 夏杨,彭争春,张岚斌,王子墨. 微纳电子技术. 2020(02)
[7]自驱动健康监测及生理功能调节器件的研究进展[J]. 李虎,赵璐明,李喆,倪凡,刘卓,刘儒平,樊瑜波,李舟. 生物工程学报. 2019(12)
[8]Flexible Tactile Electronic Skin Sensor with 3D Force Detection Based on Porous CNTs/PDMS Nanocomposites[J]. Xuguang Sun,Jianhai Sun,Tong Li,Shuaikang Zheng,Chunkai Wang,Wenshuo Tan,Jingong Zhang,Chang Liu,Tianjun Ma,Zhimei Qi,Chunxiu Liu,Ning Xue. Nano-Micro Letters. 2019(04)
[9]铝掺杂对氧化锌基摩擦纳米发电机输出性能的影响[J]. 林金堂,李典伦,阮璐,丘志榕,王嘉鑫. 电子元件与材料. 2019(10)
[10]压电式纳米发电机及其混合器件的研究进展[J]. 谭耀红,刘呈坤,毛雪,刘佳. 材料工程. 2019(10)
硕士论文
[1]基于压电薄膜的多功能触觉信号检测系统研究[D]. 田红英.吉林大学 2016
本文编号：3240344
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
纳米发电机的应用
极表面的电荷恢复正常[35,36]。通过敷设在压电材料顶部和底部的两个电极，利用压电效应极化电荷和产生随时间变化的电场来驱动电子在外电路中流动，可以实现微能量的供给与电信号的监测[37]。2006年王中林首次提出利用竖直结构的氧化锌纳米线来制备压电式纳米发电机，这一款压电纳米发电机较为简单，但是有开创性的突破。在最近的几年里，压电纳米发电机被广泛的研究应用，在发电效率上有显著提高，同时在传感器的应用方面也越来越广泛。在压电纳米发电机的研究中，主要是对影响纳米发电机的因素进行性能的改进提高。如图1-2所示，Hu等人探究了在不同的压电矩阵中，铁电和压电特性对输出特性有重要的影响。不同的表面形态、不同的化学掺杂、不同的基底等，都对输出性能产生一定的影响，也是改善纳米发电机性能的重要途径[38-41]。复合材料增强输出功率，并提高能量收集和自供电感应的灵活性复合薄膜材料不同压电阵列铁电和压电特性对输出性能的重要作用不同表面形态形态导致性能输出的差异更换基板提高性能输出和柔性的合适基材化学掺杂化学掺杂改变压电晶体的应力和应变图1-2压电纳米发电机性能影响因素3
青岛大学硕士学位论文1.2.2柔性动态传感及应用随着智能化水平的提高，智能传感器技术越来越多的应用于可穿戴设备及智能化产品中[42]。为了模拟皮肤感应的机械和热刺激功能，多功能传感器具有更大的应用潜力[43]。可拉伸的传感器件可以在粗糙的附着物上面进行工作，也可以在光滑的物体表面的工作，这样的兼容性大大改观了传统器件刚性连接方面的局限性。尤其是薄膜系统，由于其低成本和柔韧性，在状态监测、人机交互和仿生医疗设备中具有广泛的应用[44,45]。如图1-3所示，在人体可穿戴设备中用于心脏监测[46]、腰部呼吸传感装置[47]、柔性助听器[48]等人体柔性环境下的应用[49-51]。听力辅助手势感测喉关节监测心脏传感腰部呼吸传感器可穿戴自供电装置图1-3纳米发电机在柔性智能传感方面的应用随着现代电子信息技术的发展，传感器的性能及使用场合也越来越受到人们的关注，开发灵敏度高的传感材料在科学界是一个持久的研究方向。纳米材料作为一种新兴材料，因其优良的特性而倍受传感材料领域的青睐。其中静电纺丝纳米纤维因拥有高比表面积、透气性好等优点而非常适合于用作传感材料，再加上电纺材料的多样性和复合性，在传感器领域取得了很大的成果[52,53]。作为一种聚合物材料，聚偏二氟乙烯（PVDF）在性能上具有很大优势。与常规的无机材料相比，PVDF的化学稳定性高，耐腐蚀性强；弯曲和拉伸性能好，具备一定的柔性；压电电压常数高，对于应力的输出响应较为明显，便于传感系统中数据的采集和分析[54-57]。经过静电纺丝的PVDF纳米纤维在高电场下的拉伸过程中会形成β相，可直接用于发电和传感，而无需常规极化。4
【参考文献】：
期刊论文
[1]PVDF压电传感器及敏感单元设计关键技术[J]. 张旭,覃双,杨舒棋,彭文杨,赵锋,于君,钟斌. 高压物理学报. 2020(02)
[2]摩擦纳米发电机及其应用[J]. 毕晨,安一博,苑华翯,纪晓婧,许国贺,马晶军. 微纳电子技术. 2020(03)
[3]基于阵列式触觉传感器的操作意图实时感知[J]. 李铁军,刘应心,刘今越,杨冬. 仪器仪表学报. 2020(01)
[4]基于静电纺丝法制备P（VDF-TRFE）/石墨烯（GR）薄膜的柔性复合压电纳米发电机[J]. 骆懿,廖家明,于洋,吴颖. 传感技术学报. 2020(02)
[5]多空间分辨率自适应特征融合的相关滤波目标跟踪算法[J]. 汤张泳,吴小俊,朱学峰. 模式识别与人工智能. 2020(01)
[6]一种采集风能的多层薄膜颤振混合纳米发电机[J]. 夏杨,彭争春,张岚斌,王子墨. 微纳电子技术. 2020(02)
[7]自驱动健康监测及生理功能调节器件的研究进展[J]. 李虎,赵璐明,李喆,倪凡,刘卓,刘儒平,樊瑜波,李舟. 生物工程学报. 2019(12)
[8]Flexible Tactile Electronic Skin Sensor with 3D Force Detection Based on Porous CNTs/PDMS Nanocomposites[J]. Xuguang Sun,Jianhai Sun,Tong Li,Shuaikang Zheng,Chunkai Wang,Wenshuo Tan,Jingong Zhang,Chang Liu,Tianjun Ma,Zhimei Qi,Chunxiu Liu,Ning Xue. Nano-Micro Letters. 2019(04)
[9]铝掺杂对氧化锌基摩擦纳米发电机输出性能的影响[J]. 林金堂,李典伦,阮璐,丘志榕,王嘉鑫. 电子元件与材料. 2019(10)
[10]压电式纳米发电机及其混合器件的研究进展[J]. 谭耀红,刘呈坤,毛雪,刘佳. 材料工程. 2019(10)
硕士论文
[1]基于压电薄膜的多功能触觉信号检测系统研究[D]. 田红英.吉林大学 2016
本文编号：3240344
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