基于热电效应的柔性电子皮肤温觉仿生设计
发布时间：2021-06-26 05:21
电子皮肤是通过结构和功能设计模拟人体皮肤进行感知外界压力、光照、温度和湿度的功能性器件,是实现人机交互的重要媒介。其中,温度是自然界中重要的物理量,已有研究者对电子皮肤的温度传感进行研究,然而鲜有人对假肢进行系统的温觉研究。当前的假肢已经能够实现灵敏的机械操作,但由于其材料和结构特性,欠缺舒适度。为提高假肢在使用者中的接受度和实用性,本文提出在假肢表面进行电子皮肤的温觉仿生设计,以解决针对假肢表面坚硬冰冷的问题。由于人体的温觉系统包括温觉感知和体温调节,因此在此基础上分别在温度传感和温度调控方面进行设计。具体如下:制备了基于二维弹簧结构的热电偶作为假肢表面的温度传感器。设计了不同曲率半径的二维弹簧结构,然后加工出相应形状的掩模版,最终用磁控溅射的方式将测温阵列制备于柔性基底上,并用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为封装材料,制备出了柔性热电偶型温度传感器。为提高热电偶的测温准确性和响应速度,参考人体纤毛结构,在测温点上连接上高导热的铜丝作为仿生纤毛。实验结果证明,柔性纤毛仿生热电偶能够识别0.02℃的热源温度变化,其灵敏度为41.25μV/K,且温度传感阵列具有良好的温度响应,能够分辨出环...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电子皮肤的特性以及在多个领域的应用[10]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-15-性为假肢的分析操作提供准确的温度数据。这为温度传感器的结构设计和材料设计增加了制作难度。2.2仿生热电偶温度传感器柔性设计随着柔性电子器件的发展，其结构基本可以被归类为柔性基底、互联导体、敏感元件以及封装材料四部分[51]。这些结构都需要具备柔性，在承受一定的形变条件下需要能够维持各自的功能，电子皮肤也不外如是。当前电子皮肤的制作大多是通过物理/化学的方式将敏感元件制备在柔性基底上。因此，柔性基底的选择和敏感元件的设计是决定电子皮肤性能是否优异的关键。2.2.1温度传感器的仿生来源人体皮肤一直是研究者进行电子皮肤设计的模仿对象，它有着精密的结构，多样化的功能能够帮助人类完成日常生活中的各种活动。皮肤中不仅存在着压力感受器、痛觉感受器等，在实现人体的温觉方面，皮肤中还存在着感受基体不同部位温度变化的结构，被认为是人体的温度感受器。如图2-1所示，皮肤可以分为表皮层和真皮层，表皮层存在实现人体温度感觉的冷点（感知冷觉的结构）和热点（感知热觉的结构），真皮层则存在着传导温度觉的传入纤维。例如在人体的手部皮肤中，每平方厘米存在1~5个冷点和0.4个热点。刺激皮肤表面的冷点或热点，产生的生物信号可以经传入纤维传导，最终在神经中枢中产生冷觉或者热觉。一般认为，皮肤温度在低于30°C时使人产生冷觉，皮肤温度在高于35°C左右则引起温觉。图2-1皮肤结构[52]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-16-根据电子皮肤温度传感器需要具备柔性、响应速度快和灵敏度高且需要封装的特点，结合人体皮肤温度感受器的结构和功能，我们设计了一款基于热电效应的仿生纤毛结构热电偶温度传感器，如图2-2所示。该热电偶温度传感器以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为柔性基底，并根据材料的力学特性和需要实现的功能进行温度传感器的结构设计，利用微纳电子加工手段将测温元件转移到基底上，使之具备贴合在不同曲面上的能力。模拟人体温度感受器将热电偶N型材料和P型材料的测温结点视为电子皮肤的“冷点”和“热点”。单位面积上的测温结点的数量可以多余人体皮肤温度感受点的数量，实现并可以超过人体皮肤对物体的温度分辨率。为减弱封装材料对于电子皮肤热传导的影响，通过观察人体皮肤，提出了模仿皮肤汗腺中的纤毛结构，人体中纤毛结构属于人体体温调节的汗腺系统，从真皮层长出，起到保护，缓冲等作用，并在人体的散热过程中起着重要的作用。该温度传感器利用高导热的纤毛结构作为测温点的外延结构，能够减弱低导热的封装材料对于热量传导的阻碍，加速热量的传导，加上热电偶材料为金属，具有热容量小等优点，可以解决当前温度传感器响应速度慢、灵敏度低等缺点，这对于推广电子皮肤在复杂环境中的应用具有重要意义。图2-2温度传感器结构示意图2.2.2宏观尺度热电偶型温度传感器的制作在进行热电偶阵列的微纳加工之前，先进行了宏观尺度的热电偶温度传感器的制作。选用直径为350μm的铜丝和康铜丝（铜镍合金Cu:Ni=55:45）作为焊接T型热电偶的材料。将铜丝和康铜丝剪裁成长度均等的小段，然后按照热电偶的结构用点焊机进行焊接，除测温结点外的铜丝与康铜丝的接触点使用胶带进行绝缘，以防止铜丝和康铜丝发生短路。在
【参考文献】：
期刊论文
[1]柔性电子系统及其力学性能[J]. 许巍,卢天健. 力学进展. 2008(02)
本文编号：3250710
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电子皮肤的特性以及在多个领域的应用[10]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-15-性为假肢的分析操作提供准确的温度数据。这为温度传感器的结构设计和材料设计增加了制作难度。2.2仿生热电偶温度传感器柔性设计随着柔性电子器件的发展，其结构基本可以被归类为柔性基底、互联导体、敏感元件以及封装材料四部分[51]。这些结构都需要具备柔性，在承受一定的形变条件下需要能够维持各自的功能，电子皮肤也不外如是。当前电子皮肤的制作大多是通过物理/化学的方式将敏感元件制备在柔性基底上。因此，柔性基底的选择和敏感元件的设计是决定电子皮肤性能是否优异的关键。2.2.1温度传感器的仿生来源人体皮肤一直是研究者进行电子皮肤设计的模仿对象，它有着精密的结构，多样化的功能能够帮助人类完成日常生活中的各种活动。皮肤中不仅存在着压力感受器、痛觉感受器等，在实现人体的温觉方面，皮肤中还存在着感受基体不同部位温度变化的结构，被认为是人体的温度感受器。如图2-1所示，皮肤可以分为表皮层和真皮层，表皮层存在实现人体温度感觉的冷点（感知冷觉的结构）和热点（感知热觉的结构），真皮层则存在着传导温度觉的传入纤维。例如在人体的手部皮肤中，每平方厘米存在1~5个冷点和0.4个热点。刺激皮肤表面的冷点或热点，产生的生物信号可以经传入纤维传导，最终在神经中枢中产生冷觉或者热觉。一般认为，皮肤温度在低于30°C时使人产生冷觉，皮肤温度在高于35°C左右则引起温觉。图2-1皮肤结构[52]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-16-根据电子皮肤温度传感器需要具备柔性、响应速度快和灵敏度高且需要封装的特点，结合人体皮肤温度感受器的结构和功能，我们设计了一款基于热电效应的仿生纤毛结构热电偶温度传感器，如图2-2所示。该热电偶温度传感器以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为柔性基底，并根据材料的力学特性和需要实现的功能进行温度传感器的结构设计，利用微纳电子加工手段将测温元件转移到基底上，使之具备贴合在不同曲面上的能力。模拟人体温度感受器将热电偶N型材料和P型材料的测温结点视为电子皮肤的“冷点”和“热点”。单位面积上的测温结点的数量可以多余人体皮肤温度感受点的数量，实现并可以超过人体皮肤对物体的温度分辨率。为减弱封装材料对于电子皮肤热传导的影响，通过观察人体皮肤，提出了模仿皮肤汗腺中的纤毛结构，人体中纤毛结构属于人体体温调节的汗腺系统，从真皮层长出，起到保护，缓冲等作用，并在人体的散热过程中起着重要的作用。该温度传感器利用高导热的纤毛结构作为测温点的外延结构，能够减弱低导热的封装材料对于热量传导的阻碍，加速热量的传导，加上热电偶材料为金属，具有热容量小等优点，可以解决当前温度传感器响应速度慢、灵敏度低等缺点，这对于推广电子皮肤在复杂环境中的应用具有重要意义。图2-2温度传感器结构示意图2.2.2宏观尺度热电偶型温度传感器的制作在进行热电偶阵列的微纳加工之前，先进行了宏观尺度的热电偶温度传感器的制作。选用直径为350μm的铜丝和康铜丝（铜镍合金Cu:Ni=55:45）作为焊接T型热电偶的材料。将铜丝和康铜丝剪裁成长度均等的小段，然后按照热电偶的结构用点焊机进行焊接，除测温结点外的铜丝与康铜丝的接触点使用胶带进行绝缘，以防止铜丝和康铜丝发生短路。在
【参考文献】：
期刊论文
[1]柔性电子系统及其力学性能[J]. 许巍,卢天健. 力学进展. 2008(02)
本文编号：3250710
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3250710.html
