基于石墨烯泡沫的三维界面应力传感器研究

发布时间：2020-09-21 12:55

　　 三维界面应力是一种耦合有正压力和剪切力的多维力。三维界面应力的解耦测量是指通过三维界面应力传感器把三维界面应力解耦为正压力与剪切力后进行测量的技术,可被用于医学、机器人、航空航天和工业生产等多个领域。现有的三维界面应力传感器按照测量原理可分为:压阻式、电容式与压电式。压阻式三维界面应力传感器稳定性较高,但灵敏度偏低。电容式三维界面应力传感器具有高灵敏度、高空间分辨率等优点,但电容易与导体(如人体)产生杂散电容与耦合电容,传感器的稳定性较差。压电式三维界面应力传感器采用压电材料,具有很高的动态响应,但无法测量静态的三维界面应力。针对以上问题,本文提出了一种具有高压力灵敏度的三维石墨烯泡沫,基于该石墨烯泡沫设计制备了平行位移式三维界面应力传感器,该传感器能够实时、稳定测量三维界面应力的大小与方向。具体研究内容和创新点如下:1.提出了一种基于聚酰亚胺的高压力灵敏度三维石墨烯泡沫。该泡沫采用了聚酰亚胺泡沫作为模板,通过物理化学双重还原制备了三维石墨烯泡沫。泡沫结构可以自支撑,具有优异的机械特性,弹性模量可达5 kPa。由于物理化学双重还原法,制备的石墨烯泡沫具有出色的电学特性,电导率可达0.4 S/m。通过调节三维石墨烯泡沫的制备参数,实现了较高的压力灵敏度,可达0.36 kPa~(-1)。2.提出了一种基于石墨烯泡沫的三维界面应力传感器。为了解决现有压阻式三维界面应力传感器灵敏度较低的问题,本文基于高压力灵敏度的石墨烯泡沫设计、制作了三维界面应力传感器,研究了柔性传感器的制备工艺,建立了三维界面应力解耦模型。所制备的传感器具有较高的灵敏度,在正压力方向的测量范围可达0 kPa-50 kPa,灵敏度可达0.0270 kPa~(-1),在剪切力方向的测量范围可达0 kPa-25 kPa,灵敏度可达0.0169 kPa~(-1)。3.提出了一种基于石墨烯泡沫的平行位移式三维界面应力传感器。针对所提出的基于石墨烯泡沫的三维界面应力传感器在测量过程中存在串扰的问题,本文通过分析现有三维界面应力解耦测量机理,提出了平行位移式的三维界面应力解耦测量方法。基于该平行位移式解耦测量方法,设计制备了平行位移式的三维界面应力传感器。该平行位移式传感器通过特殊传感器结构将三维界面应力的正压力与剪切力分离,实现了三维界面应力无串扰、高稳定、高灵敏的解耦与测量,在垂直正压力方向平行与剪切力方向的量程分别为0 kPa-21 kPa和0 kPa-12.5 kPa,在Z、XP、YP、XN、YN方向的灵敏度分别为0.029 kPa~(-1)、0.020 kPa~(-1)、0.019 kPa~(-1)、0.018 kPa~(-1)、0.019 kPa~(-1),传感器的响应时间为80 ms。本文提出的平行位移式三维界面应力传感器解决了现有压阻式三维界面应力传感器灵敏度较低、存在串扰的问题,解决了现有电容式三维界面应力传感器存在杂散电容与耦合电容的问题,实现了三维界面应力无串扰、高稳定、高灵敏的解耦与测量,在医学、机器人等多个领域具有广泛的应用前景。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ127.11;TP212
【部分图文】：

(a) (b)图1.1 压阻式三维界面应力传感器，(a) Liu 等人研发的三维界面应力传感器，(b) Zhang 等人提出的基于量子隧道电流聚合物的三维界面应力传感器2013 年，Zhang 等人[50]基于量子隧道电流聚合物制作了三维界面应力传感器，如图 1.1(b)所示。该研究是在圆形的量子隧道电流聚合物上制作四个扇形的电极，将圆形量子隧道电流效应聚合物分为四个部分。通过解耦模型，可以根据四个电极不同的输出实现三维界面应力的解耦与测量。该研究还通过可编程逻辑控制器，采用电压镜像法避免了各个器件之间的串扰。所制备的传感器正压力方向的量程为0 kPa-28.5 MPa

(a) (b)图1.2 压阻式三维界面应力传感器，(a) Thanh-Vinh 等人提出的基于柔性微结构压阻悬臂梁式三维界面应力传感器，(b) Jung 等人提出的压阻式三维界面应力传感器

的灵敏度可达0.47 V/N。(a) (b)图1.3 压阻式三维界面应力传感器，(a) Zhang 等人制备的三维界面应力手指测量系统，(b) Xi 等人提出的压阻式三维界面应力传感器2015 年，Xi 等人[54]基于压敏橡胶制作了压阻式三维界面应力传感器，如图 1.3(b)所示。该传感器通过底部电极将压敏导电橡胶分为四个电阻，通过 PDMS 凸起将三维界面应力分配在压敏导电橡胶上，引起四个电阻不同的输出。该研究建立了三维界面应力解耦模型，设计制备了三维界面应力传感器，实现了三维界面应力的解耦与测量。该研究基于位移平台与测力仪搭建了三维界面应力测试平台

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本文编号：2823509