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压电/压阻双模式柔性压力传感器动/静态力学信息检测

发布时间:2020-12-29 03:18
  随着电子设备向智能可穿戴方向的发展,柔性电子器件引起了人们的广泛关注。其中,柔性压力传感器因其在智能医疗、健康监控、人机交互、智能机器人等领域具有广阔的应用前景而成为了近年来的研究热点。已有国内外研究学者基于不同的传感材料和传感原理通过合理的结构设计成功研制了许多性能优越的柔性压力传感器。然而,压电式传感器仍具有感知静态力和变形的缺点,压阻式传感器仍具有响应时间长的不足。本文对压电式传感器及压阻式传感器的传感机理和特点做了详细的理论分析和实验研究。最后通过合理的材料选择和结构设计制备了一种新型的、柔性的、能同时实现动/静态力学信息检测的双模式压力传感器,主要研究内容包括以下四个方面:(1)本文首先结合了压电薄膜压电方程和电学测试理论,建立了平面压电薄膜传感器输出电压与压力之间的关系。讨论了电压表内阻、压力大小及频率对压电式传感器测试电压的影响,从而建立了利用压电式传感器进行力学信号及力学加载速率测量的理论依据。然后将上述理论推广到具有金子塔微结构的压电薄膜传感器中,分析了金字塔微结构尺寸对传感性能的影响,并与有限元仿真结果进行对比,结果表明微结构的引入可有效提高压电式传感器的精度。(2... 

【文章来源】:浙江工业大学浙江省

【文章页数】:116 页

【学位级别】:硕士

【部分图文】:

压电/压阻双模式柔性压力传感器动/静态力学信息检测


压电传感原理

压电式传感器,PZT薄膜,柔性


导致两个电极之间形成电势差。为了屏蔽压电薄膜中的压电电位,外部自由电荷转移并集聚在电极上,在此过程中可以检测到正电压信号。当压力释放时,薄膜上、下表面之间的压电电位消失。累积电荷将反向流回,产生一个负电压信号[33, 48, 49]。压电式传感器通过压电电压的不同判断外部刺激的强弱,并将压电电压输入到电子电路中以作进一步的处理分析。1.3.2 无机/有机压电材料压电式传感器的研究许多无机压电材料已被用于压电式传感器的制备之中,如 ZnO[51-54],铅钛酸锆(PZT)[55],BaTiO3[56, 57]等。这些无机压电材料具有高压电系数(d33),但它们固有的刚性限制了其在柔性压力传感器中的应用。许多学者通过科学的结构设计,利用这些无机压电材料制备了具有良好传感性能的柔性压力传感器。例如 Lee[58]课题组通过溶胶-凝胶法制备了 PZT 薄膜(4.8 μm),并将 PZT 转移到超薄 PET 基材上,制备了一种超薄的基于 PZT 薄膜的柔性压力传感器。压电式传感器的灵敏度为0.018 kPa-1,响应时间为 60 ms,机械稳定性良好(图 1-2(a))。此外,Wang[59]课题组制备了柱状 ZnO 和 PDMS 柔性复合薄膜柔性压电器件,在不同的压力作用下,传感器输出不同大小的压电信号,从而使 LED 灯显示出不同的亮度(图 1-2(b))。

压电式传感器,复合薄膜,柔性


图 1-3 BTO/PVDF 复合薄膜柔性压电式传感器[50]Figure 1-3. BTO/PVDF composite film flexible piezoelectric sensor[50]解决这些问题,有些学者提出将无机压电材料填充在 PVDF 基物同时具有高压电性能和良好的柔韧性。如图1-3所示Zhang等分散在 PVDF 基底中,制备了 BaTiO3NPs /PVDF 复合膜,大大器的压电性能。使压电器件的压电电压从 15 V 提高到 35 V[50]电材料的材料属性可以在一定程度上改善柔性压电式传感器的式传感器中的微纳结构设计,通过合理的结构设计也是提高传感器传感性能的重要方法。许引入到压电式传感器的制备过程中。近年来在科研学者在压电许多微/纳结构,例如半球结构、纳米线、沟壑结构等。研究表入能大大提高柔性压电式传感器的传感性能。


本文编号:2944902

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