用于自供能传感与低频能量收集的柔性驻极体换能器

发布时间：2020-04-27 19:17

【摘要】：随着物联网时代到来,作为智能互联终端的传感器技术受到了人们的广泛关注。其中,可穿戴式人体健康监测传感器由于其便携,使用方便,测量准确等特点,将成为人类健康生活的得力助手。然而,目前的可穿戴设备均面临能量来源的限制,商用电池将降低可穿戴电子设备的便携性,并且在充电时期可穿戴电子设备无法正常使用。因此,利用驻极体机电换能方法制作的柔性可穿戴式力电传感器与机电换能器件,并利用这些器件构建自供能系统,是一种可行的能量来源解决方案。本论文围绕基于静电感应的驻极体机电换能技术,在柔性机电换能器件,柔性可穿戴式传感器与开发驻极体材料的新应用方面展开了系统研究。主要研究内容如下:1.研究讨论了驻极体常见的电晕充电技术与驻极体贮存电荷流失的因素。构建了多孔压电驻极体的形变/输出近似公式以及受力/形变数学关系。详细地研究了驻极体机电换能器件参数与机电耦合性能的关系。2.通过压力膨化,电晕极化的方法将原生双向拉伸含孔洞聚丙烯(Polypropolene,PP)薄膜制备成多孔聚丙烯压电驻极体。研究了不同工艺下的多孔聚丙烯压电驻极体薄膜的压电系数d_(33),并寻找多孔聚丙烯压电驻极体薄膜的最优加工方法。通过最优加工方法的多孔聚丙烯压电驻极体薄膜具有良好的机电换能性质与可靠性,其静态压电系数d_(33)达到约210 pC/N,并且在超过9000次循环激励测试,60℃下保持压电性能稳定。利用多孔聚丙烯压电驻极体构建了柔性可穿戴式人体喉结振动,脉搏传感器,实现了多孔聚丙烯压电驻极体薄膜在可穿戴式人体健康实时监测方面的初步应用。3.通过模板热压的方法实现了结构/性能可调节的可熔性聚四氟乙烯(PFA)压电驻极体。详细分析了PFA压电驻极体开路电压与结构参数的影响,并构建了压电驻极体在不同应力下的非线性形变模型,实验证明这种模型与真实测量结果具有很高的吻合度。这种可通过设计内部阵列式支撑结构形貌进行优化的PFA压电驻极体在0-2.5 kPa低压力范围内达到约15 V/kPa的高灵敏度。将PFA压电驻极体应用于制作可穿戴式人体脉搏,呼吸,声音以及步频传感器,展示了PFA压电驻极体在人体健康监测方向的良好应用前景。4.设计了一种高性能的基于驻极体静电感应式机电换能结构。利用厚度为30μm的氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)负电荷驻极体薄膜,在4×4 cm~2的限定面积,总厚度不超过2 mm的条件下,在正向激励峰值为5 N,频率为5 Hz的条件下,峰值功率达到2.5μW/cm~2。该机电换能器件在超过27000次的循环测试中性能保持稳定。同时,利用FEP柔性机电换能器件在按压情况下脉冲式电流输出特性,制作了自供能的风扇遥控开关,拓展了驻极体静电感应式器件的应用领域。5.在限定空间体积内,通过正,负电荷驻极体混合插层的器件结构设计,提升了器件的机电换能特性,获得了更高的电流、功率输出特性。分析了这种机电换能器件的工作原理与输出特性,并对比了在研究中设计的三种器件结构所具有的电流,峰值功率输出特性。基于FEP与环烯烃类共聚物(COC)驻极体薄膜的混合插层机电换能器,在5 N微弱机械激励条件下电流峰值能达到约1μA,并随着外界激励增加,其输出能够进一步提升。该研究对于限定体积的驻极体机电换能器件设计具有重要的现实意义。
【图文】：

远程医疗,智能,人学,分布式传感器

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实时监测,传感器,健康监测

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【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】：TP212

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