微纳米碳材料柔性压阻传感器的研究及在智能服饰中的应用

发布时间：2020-10-30 09:05

　　 智能可穿戴健康监控系统能够有效降低病人的死亡率和改善老年人的生活质量。柔性压阻传感器是获取人体生物信息的关键部件,是可穿戴健康监控系统的基础性技术,高性能柔性压阻传感器的研究对于智能服装服饰的发展具有重要意义。为了研究不同类型柔性压阻传感器的性能并阐明其传感机理,本课题制备了三种类型传感器:1、改性石墨/聚氨酯柔性压阻传感器,2、改性多壁碳纳米管/聚氨酯柔性压阻传感器,3、界面微米结构的多壁碳纳米管-银纳米线/聚氨酯柔性压阻传感器。首先,将表面改性的石墨和多壁碳纳米管分别掺杂到聚氨酯树脂中获得两种具有良好弹性的导电膜,并制备出三明治结构的改性石墨/聚氨酯柔性压阻传感器和改性多壁碳纳米管/聚氨酯柔性压阻传感器。以SEM、TEM、FTIR光谱、拉曼光谱、介电光谱和自行研制的力学-电学性能测试仪,系统研究了导电膜及其传感器的结构、力学和电学性能。研究显示:改性的石墨和多壁碳纳米管的粒径比比未改性时分别降低了 16.7%和36%,表明改性后的微纳米颗粒在聚氨酯基体中的分散性明显改善;低掺杂质量比的改性石墨/聚氨酯和改性多壁碳纳米管/聚氨酯导电膜在高频激励信号下具有电容效应,依据此实验现象本文构建了新的导电通道模型;导电膜的电阻相对变化率和压强之间存在二次幂函数关系,对此函数求导可获得压阻响应的灵敏度与压强的对应关系,为计算和预测柔性压阻传感器的灵敏度提供了一种新方法;30wt%改性石墨/聚氨酯导电膜的压阻灵敏度达到最高值6.38kPa-1,其迟滞性和重复性误差分别为占2.3%和±20%;1wt%改性多壁碳纳米管/聚氨酯导电膜的压阻灵敏度最高为4.208 kPa-1,其迟滞性和重复性误差分别为±8.2%和±6.63%。为了进一步提高柔性压阻传感器的灵敏度和简化其结构,采用模板法制备出表面微米条纹结构的多壁碳纳米管-银纳米线/聚氨酯导电膜,将导电膜的微米结构面与交互式单面电极复合制备出微米结构导电膜/单面电极柔性压阻传感器。在0-2kPa的压强范围内该传感器的灵敏度高达46.93kPa-1。多壁碳纳米管和银纳米线混合掺杂的柔性压阻传感器的重复性和迟滞性分别为±4.15%和±1.56%。有限元仿真实验结果显示导电膜的微米结构和单面电极的接触面积,与导电膜的压阻灵敏度存在负相关性。将已制备的柔性压阻传感器用于人体生理信号监测,建立了柔性压阻传感器在测量人体脉搏跳动或呼吸频率时的力学模型并研究了其工作原理,为拓展和优化柔性传感器在智能服装服饰中的应用提供了理论支持。最后,应用上述三种柔性压阻传感器制备出了压力分布测量鞋垫、呼吸频率测量背心及压力测量手套等智能服装服饰,测试结果显示上述智能服装服饰能够准确检测人体足底的压力分布、呼吸频率和手指指尖压力。柔性压阻传感器在智能服装服饰和智能家居产品中具有非常广阔的应用前景。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TS941.2;TP212
【部分图文】：

脑电、呼吸、脉搏、汗液成分等）、运动信息、人体姿态、声音信息及周边环境??信息，通过信号采集模块将测量的模拟信号转化为数字信号，并存储或通过无线??方式传输到中心节点，如图１－１所示。???Ｔ—－飞＼??：［＾Ｅｐｉ｜，?＼????；ｒ＾ｗ２｜；?采?Ｉ?＼??：Ｉｆｆ?ＡＳＭ?ｎｉｌ?理樓块?Ｉ?＼???｛（（ｆｔ??Ａ?民屮??图ｌ－ｌ可穿戴设备工作原理图⑴??１??

料的柔性压力传感器，能够达到高灵敏度、宽线性和快速响应。其感测能力甚至??超过人类皮肤，能够为可穿戴医疗保健系统、电子皮肤和人机交互智能便携设备??提供关键技术支持，如图１－２所示。??柔性压力传感器依据工作原理可分为压阻式、电容式、压电式和摩擦发电式??［３］、摩擦发电机［｜｜＿１２］、离子压电效应［１３］、力致发光［１４］等。不同敏感机制的传感器??具有不同原理和特点，如图１－３所示。电容式、压电式和摩擦发电式柔性压力传??感器对力的敏感性强，可实现低能耗和微力测量，但在可穿戴系统的长期监控中，??测量电路复杂、容易被干扰、重复性差等问题是其存在的主要不足。早在上个世??纪７０年代，Ｊｅｆｆｅｒｓ，?Ｆ．Ｊ．等［１５］就开展了薄膜压阻传感器的研宄，在器件上蒸镀??上硫化镉涂层，并研宄了器件的压阻效应。随着材料科学和电子技术的快速发展，??柔性压阻式应力传感器近年来成为柔性传感器的一个重要研宄方向，并取得了长??足的进步。??（ａ）压阻式?（ｂ）压电式?（ｃ）电容式?（ｄ）隋撺电??ＢＢＢＢＢ?Ｂｌｉｎｉ?Ｂ５ＢＳａ？ｉ?ＢＭｉｉｌＨ??ＶＸ?Ｔ?Ｃ）?＋?Ｃ）??＼ｒ＾ｉｌ????二「’??＼?＼?Ｉ?＼??１?４?－１?１?ｉ?ｉ?１Ｖ?１?ｉ?１?ｉ?ｉ?１Ａ??ｉ?＂ｒ?－－??ＨＢＩＢｆｉｌＢｉ??图１－３柔性压力传感器四种信号感应机制示意图：（ａ）压阻式；（ｂ）压电式；（ｃ）电容??式；（ｄ）摩擦电??目前

天津工业大学博士学位论文??２４％的研究集中在碳基柔性压力传感上。自２０世纪９０年代，研宄者开性的电子材料来制备大面积、低成本和可打印的传感器以来［２７］，相关研在近５年得到了极大的关注。２００９年，Ｗａｎｇ，Ｌ．等人［２８］第一次使用碳材）掺杂的导电复合材料制作柔性阵列压力传感器。此后，碳基导电材料潜力的柔性传感器的感应材料。??１５０????
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈信琦,季安;硅压阻传感器稳定性品质的研究[J];仪表技术与传感器;1999年08期

2 蓝标;;固态压阻传感器及其在水文水利中的应用[J];水利水文自动化;1989年01期

3 果明明;用碳压阻传感器测量低冲击波压力[J];传感器技术;1994年04期

4 蓝标;压阻传感器在水利中的应用[J];水利水文自动化;1998年02期

5 Peter Krehl;刘宝琦;;用碳压阻传感器对低激波压力的测量[J];国外计量;1980年05期

6 苏日娜;宋蜇存;;基于半导体压阻传感器的脉搏信号采集系统[J];东北林业大学学报;2009年06期

7 何铁春;航空测试领域中的硅压阻传感器[J];测控技术;1991年04期

8 陈本华;压阻传感器信号的采集技术研究[J];仪表技术;1995年01期

9 车军;扩散硅压阻传感器及其工艺技术的研究[J];仪器仪表学报;1980年01期

10 何全书;CYG 压阻传感器应用研究探讨[J];航空测试技术;1984年02期

相关博士学位论文 前2条

1 何崟;微纳米碳材料柔性压阻传感器的研究及在智能服饰中的应用[D];天津工业大学;2018年

2 施长治;多晶硅纳米薄膜在压阻传感器应用中的关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

相关硕士学位论文 前4条

1 牛牧川;基于木质素的压阻传感器的制备/表征/应用的研究[D];石河子大学;2019年

2 朱德智;X型硅压阻式压力传感器的解析模型研究[D];安徽大学;2003年

3 隋鸿鹏;不同衬底条件对MEMS压阻传感器性能影响的研究[D];北京大学;2008年

4 周振;基于MEMS悬臂梁压阻桥式传感器的检测仪的研制[D];中北大学;2012年

本文编号：2862259