基于蝎子缝感受器的仿生应变感知结构制造及性能研究

发布时间：2018-03-20 15:56

本文选题：彼得异蝎　切入点：缝感受器　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：应变传感器在各领域内应用广泛。作为常见的换能元件,已成为各传感器中最常见的一类敏感元件。在加速度传感器、力传感器、重量传感器等各类传感器中,将应变量转化为电学量输出。此外,随着近年来新型智能材料等领域的研究突破,基于新型感知结构、新型敏感材料,以及电子隧穿效应、场致发射效应和渗流效应等新原理、新工艺的应变传感器成为了研究热点。随着大数据、云计算和物联网等概念的提出以及相关基础技术的进步,各类传感器,特别是柔性传感器件在可穿戴设备、高级人机接口、虚实融合与自然交互等领域作为基础技术和基础部件,得到了广泛关注。在我国近期提出的《“十三五”国家科技创新规划》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》和《中国制造2025》等一系列政策性指导文件中,都提出了“发展自然人机交互技术。其中,重点是智能感知与认知、虚实融合与自然交互和可穿戴等技术研发及应用”。并且,都将“加强新型传感技术与技术的开发”、“加快人机智能交互”列为发展重点。智能传感器是感知外界环境、信息交互和实现“人机共融”的智能化、网络化系统的基础。作为仿生科技的重要一员,仿生传感器是基于生物学原理设计、可感受待测量,并按一定规律转换及输出可用信号的器件或装置。在新检测原理、新感知结构的基础上,它主要由敏感元件、转换元件,以及信号调整电路(或电源)等组成。当前,仿生传感器的设计理念主要涵盖两方面:一是仿生敏感机制,包括敏感结构与敏感材料的仿生设计;二是传感器功能仿生。仿生敏感结构与仿生敏感材料(也被称为仿生智能材料)是发展仿生传感器的核心与基石。本文选取彼得异蝎(Heterormetrus petersii)为生物模本,结合耦合仿生学原理,揭示了蝎子缝感受器的高灵敏振动感知机理;设计、制造了简洁、高效的仿生应变感知结构,并从理论、试验和应用方面进行了相关研究。本文主要研究内容如下:首先,对比分析收集到的各类蝎子标本,选取彼得异蝎为研究的生物模本。综合采用扫描电镜、μ-CT和生物组织超薄切片等多种观测手段,观测了缝感受器表面形貌、三维结构,得到了缝感受器的裂缝宽度、长度和裂缝间隔等特征结构尺寸。采用纳米压痕仪等研究了蝎子缝感受器生物组织材料的力学特性,发现缝感受器外骨骼弹性模量是其皮下组织的9.3倍,呈现外刚内柔的材料力学分布规律。通过分析彼得异蝎缝感受器生物结构和感知功能,发现振动产生的应力应变集中于蝎子缝感受器的裂缝区域,以此揭示了缝感受器的振动感知机理。然后,结合缝感受器结构、特征尺寸和材料特性参数,建立了基于蝎子缝感受器的结构—材料耦合的应力和应变放大模型,即非连续刚性层与柔性层耦合的应力放大模型和砖泥镶嵌刚柔耦合应变放大模型。根据建立的放大模型,揭示了缝感受器振动感知的高灵敏机理,即缝感受器应力和应变的高效放大机理。根据生物原型参数,计算了其放大效能。接着,根据提出的蝎子缝感受器结构—材料耦合模型,分别设计、制造了两种仿生应变感知结构。在纸基底上掩膜印刷制造了仿生非连续刚性层与柔性层耦合应变感知结构,其具有超快反应时间(0.625 ms)、高灵敏系数(647)、低成本(0.13元/个)和可批量制造的优点。在柔性基底贴附铝膜,激光刻蚀出砖泥图案,制造了仿生砖泥镶嵌刚柔耦合应变感知结构,实现了大变形下(140%)的高灵敏系数(97.75)。根据对感知结构设计参数和性能的分析,建立了基于蝎子缝感受器的仿生应变感知结构参数化设计准则。最后,对仿生应变感知结构进行了应用试验。实现了人体运动非接触测量、体征检测和角度检测等功能,并设计制作了相关辅助电路。本文设计制造的仿生非连续刚性层与柔性层耦合应变感知结构灵敏度高、反应时间短,通过检测人体运动产生的振动信号,实现了人体运动的非接触检测。应用试验结果显示,仿生感知结构可靠、有效。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212;Q811

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