IPMC柔性传感器的高效制备及其智能手套系统的集成应用

发布时间：2020-11-06 03:18

　　 柔性传感器因为满足人体功效学要求而被广泛应用于智能可穿戴电子领域,相对于传统的压阻式、电容式以及压电式传感器,柔性的离子聚合物金属复合材料(IPMC)传感器作为一种特殊的离子压电材料,具有方向识别、大形变下性能稳定以及无需外加电源供电等优异特性,在智能可穿戴领域的应用发展更具潜能。通常,IPMC传感器的制备主要基于传统化学镀的方法,在离子聚合物薄膜两面镀金属电极构建三明治结构。该工艺能够保证中间薄膜层与电极层的界面牢度,但是存在耗时,工艺复杂,成本高,批次性差以及无法批量化制备等问题。我们的工作聚焦于改进IPMC柔性传感器的制备工艺,实现高性能IPMC柔性传感器的高效批量化制备。此外,基于该IPMC柔性传感器构建一个完整的可穿戴电子原型。针对制备工艺的改进,我们提出一种类流化床法。具体是通过在IPMC柔性传感器的制备过程中引入定制的模板来固定离子聚合物中间层,从而保证了电极的还原更加均匀充分,传感器性能优异并且制备的过程被大大缩短。所制备的IPMC柔性传感器在测试中显示出了极好的灵敏度(2.99mv/1%应变)和高稳定性(8000次弯曲回复循环稳定性为98.2%)以及优异的线性度。针对可穿戴电子系统原型的构建,我们设定了硬件部分(IPMC柔性传感器、手套、电路、移动终端等)和软件部分(相关程序)。系统的构建包括传感器、电路板与手套的集成,收集、处理信号的程序设计等。这里,我们成功的构建了一个智能手套可穿戴系统,它可以实现对微弱脉搏信号的标准化诊脉,对精密盲文进行精准识别以及对机械手进行实时的远程操控。本项工作对高性能IPMC柔性传感器的高效批量化制备具有实际战略意义。对柔性可穿戴系统在便携医疗以及人机交互领域的实际应用具有一定的指导意义和推进作用。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212
【部分图文】：

％??ｖｉ＞??图１－１常见的各种形式的可穿戴电子设备??１．１．２柔性传感器的分类??一种能感知被测者的信息，并能将所感受到的信息按一定的机制转换为电学??信号或者其它形式信号输出的检测装置被称之为传感器。这些被感知的信号可以??是物理信号、化学信号、生物信号以及环境的变化等等［３７］。传感器被视为可穿戴??电子的核心部件之一，对整个穿戴电子的功能设计及实际应用起着至关重要的作??用。作为穿戴式电子系统的重要组成部分，要求传感器应该满足基本的人体工程??学要求，即应具备柔性、质轻、电学性能稳定优异以及可集成度高等特性。因此，??各种高分子聚合物基的柔性传感器成了穿戴电子的首选。??总的来说，柔性传感器可分为物理传感器［３８Ｍ３］、化学传感器￣５°］、离子传感??器［５１］、生物传感器以及混合传感器几大类。??（１）其中物理传感器能够感测各种物理因素，例如温度，压力和应变。研??究人员已经开发出了可穿戴的物理传感器，这些柔性传感器都具有足够的柔軔性??和拉伸性从而可以抵抗由人类活动引起的变形＆５３］。可穿戴物理传感器测量的各??种物理参数可反映人体的一些基本状况

上述所有种类的柔性传感器中，目前最受关注并且研宄较为成熟全面的主要??是柔性力学传感器，我们在下部分主要介绍柔性力学传感器的发展以及应用。??１．２柔性力学传感器的组成、传感机理以及应用??力的来源可产生于重力，物理接触或者人体移动时的压力或拉伸应力等等。??柔性力学传感器可以在这些力的作用下产生信号并按照一定的规律输出。这就使??得在可穿戴电子设备中，力学传感器具有监控人体运动的重要作用，监测范围从??脉搏的跳动，声带的振动到关节的运动。这些可穿戴电子中的力学传感器的设计??和开发是基于柔性的，可拉伸的材料，与以前研宄的硅基力学传感器完全不同［６１］。??可穿戴式力学传感器的要求包括拉伸性，灵敏度（应变系数），机械可靠性，迟??滞和线性输出信号等［６２］。根据信号产生的原理，可将现有的柔性力学传感器大??致分为压阻式力学传感器，电容式力学传感器和压电式力学传感器。图１－３是它??们的响应机理示意图。??

１．３?ＩＰＭＣ的研究现状及问题??ＩＰＭＣ作为一种新型的智能力学传感材料，为低能耗，高精度穿戴电子带来??了希望。因为ＩＰＭＣ的典型结构特征是两电极夹持柔性聚合物薄膜，所以柔性??ＩＰＭＣ力学传感器的制备过程实际上会重点涉及和考虑到柔性材料和刚性材料的??复合问题。一般而言，柔性聚合物材料的杨氏模量在几十分之一到几百ＭＰａ之??间，而刚性电极材料的杨氏模量则介于十分之几到几百ＧＰａ之间Ｍ，两者之间??存在着较大的杨氏模量差，这就导致ＩＰＭＣ传感器作为可穿戴电子部件时，其使??用的过程中容易出现电极开裂、分层以及剥离脱落等情况，影响了?ＩＰＭＣ传感器??的稳定性以及使用寿命。ＩＰＭＣ传感器中间的柔性聚合物薄膜层与金属电极层的??良好结合性由制备过程决定［９４］。为此，对ＩＰＭＣ制备方法的探究一直是研究的热??点。目前，ＩＰＭＣ的制备方法已有很多种，大致分为化学镀法和机械镀法两大类。??
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本文编号：2872582