离电柔性压力传感技术及其应用研究

发布时间：2020-11-21 17:56

　　 柔性压力传感器可以在自身变形的情况下保持其压力感测能力,这在电子皮肤、人机界面以及医学诊断和治疗等领域中具有重要应用价值。当前柔性压力传感机制主要有电阻式、电容式、摩擦电式、压电式和离电式等类型。相比于传统的电阻式、电容式、摩擦电式和压电式传感器,离电式压力传感作为一种新兴的传感机制,具有灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强、测量噪音低、可检测静态与动态压力、线性度高等优点,具有解决当前柔性压力传感存在问题的潜力。为此,本论文采用理论分析和实验研究相结合的方式,开展了离电柔性压力传感技术及其应用的研究。论文的主要研究内容如下:(1)纸基离电压力传感器的制备技术及性能表征研究。提出了纸浆造纸法和手写法两种制备离电压力传感纸的工艺,并对它们进行了比较。离电压力传感纸可以仅通过纸张特定的操作(例如打印、切割、折叠和胶合)以二维平面或三维折纸的形式构造纸基离电压力传感器。特别地,纸基离电压力传感器的灵敏度可以高达10 nF/kPa/cm2,至少是当前电容式传感器的数千倍,具有单帕斯卡的压强分辨率,单毫秒的快速机械响应时间以及较高的响应线性度(R20.996)。(2)纸基离电压力传感器的传感机理及应用研究。基于纤维集合体经典压缩理论,建立了纸基离电压力传感器传感理论模型,推导并验证了此模型能合理解释纸基离电压力传感器压强-电容特性。进而设计了离电压力传感特性优异的柔性压力传感器,以纸张本身的可折叠、可印刷及可剪切等特点,实现了纸基离电压力传感器在医疗可穿戴、人机界面以及定制压力感测设备等方面的应用。(3)离电压力传感橡胶材料的制备、性能表征及其在电子皮肤中的应用研究。将柔性离电传感机制引入到柔弹性的硅橡胶材料中,研发出具有离电压力传感特性的固态离电压力传感橡胶材料。对离电压力传感橡胶材料的制备及其电学和力学性能进行了系统研究。制备了基于离电压力传感橡胶的单点压力传感器和压力传感阵列,展示了离电压力传感橡胶在电子皮肤领域的潜在应用。开发的电子皮肤样品具有高于人手触觉的空间分辨率、具备识别物体的形状及尺寸,能识别出直径80微米的头发丝,也能通过动态滑动的方式识别盲文的优异触觉传感功能。基于以上研究内容,本论文的创新之处是对离电柔性压力传感技术的工作原理进行了深入的研究,提出了两种新型的离电压力传感功能材料——离电压力传感纸和离电压力传感橡胶。借助纸纤维极高的杨氏模量及多孔结构的优势,纸基离电压力传感器表现出了极高的器件灵敏度、较低的压强检测阈值、快速的机械响应恢复时间及极高的响应线性度。此外,建立了纸基离电压力传感器的压力传感模型,推导并验证了传感器的压强-电容行为。离电压力传感纸在应用上的主要创新是将所有功能材料构建在单层平面纸质基材上,特定的折叠和切割程序将使设备架构能够构建为二维平面或三维立体形式。在这样的方案中,我们可以仅依靠纸张的特定操作来构建整个功能设备,这样既方便又低成本,同时仍然保持了设备的高灵敏度。离电压力传感橡胶是首次提出的一种用于离电压力传感的固态复合材料,相比于之前的离电压力传感材料来说拥有更好的力学性能。此外,离电压力传感橡胶材料优异的传感性能也被得到了验证并将其应用于电子皮肤中,展现了优异的触觉识别能力。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP212
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 柔性压力传感技术的发展现状
        1.1.1 柔性压力传感技术的概念及应用
        1.1.2 柔性压力传感器的工作原理
        1.1.3 柔性压力传感器的材料及制备工艺
    1.2 离电柔性压力传感技术
        1.2.1 基于双电层理论的离电柔性压力传感机理
        1.2.2 离子液体
        1.2.3 用于离电柔性压力传感的离电压力传感材料
        1.2.4 离电柔性压力传感技术存在的问题
    1.3 离电柔性压力传感技术研究目的和意义
    1.4 论文的主要内容及结构
第2章 纸基离电压力传感理论模型
    2.1 纤维集合体经典压缩行为模型
    2.2 纸基离电压力传感器传感理论模型
    2.3 纸基离电压力传感器设计参数的影响因素分析
第3章 纸基离电压力传感器的制备与性能表征
    3.1 柔性压力传感纸概述
    3.2 离电压力传感纸的制备技术研究
        3.2.1 纸浆造纸式离电压力传感纸的制备
        3.2.2 手写式离电压力传感纸的制备
    3.3 纸基离电压力传感器的制备技术研究
        3.3.1 纸浆造纸式纸基离电压力传感器的制备
        3.3.2 手写式纸基离电压力传感器的制备
    3.4 离电压力传感器测试平台的搭建
        3.4.1 单位面积电容（UAC）测试平台
        3.4.2 压强-电容特性测试平台
        3.4.3 传感器响应恢复时间及重复性测试平台
    3.5 纸基离电压力传感器性能表征
        3.5.1 离电压力传感纸单位面积电容
        3.5.2 纸基离电压力传感器的灵敏度
        3.5.3 纸浆造纸式纸基离电压力传感器灵敏度影响因素分析
        3.5.4 手写式纸基离电压力传感器灵敏度影响因素分析
        3.5.5 三明治结构和叉指结构的纸基离电压力传感器对比
        3.5.6 纸基离电压力传感器的压强感测范围及线性度
        3.5.7 纸基离电压力传感器的弯曲稳定性和温度稳定性
        3.5.8 纸基离电压力传感器的可重复性和响应恢复时间
        3.5.9 纸基离电压力传感器的最小压强分辨率
    3.6 本章小结
第4章 纸基离电压力传感器的应用研究
    4.1 纸基离电压力传感器的应用概述
    4.2 纸基离电压力传感器在医疗可穿戴的应用
        4.2.1 用于脉搏波监测的离电压力折纸手环
        4.2.2 具有重量检测的智能药盒
    4.3 纸基离电压力传感器在人机界面的应用
        4.3.1 具有高低音量控制的折纸钢琴
        4.3.2 16×16离电压力传感阵列
        4.3.3 用于STEM教育的压力传感千纸鹤
    4.4 纸基离电压力传感器在定制压力感测设备的应用
        4.4.1 折纸测力计
        4.4.2 能区分材质软硬程度的折纸夹钳
    4.5 本章小结
第5章 离电压力传感橡胶材料的实验研究
    5.1 橡胶材料在离电压力传感中的必要性及可行性分析
    5.2 离电压力传感橡胶材料的制备技术研究
    5.3 离电压力传感橡胶材料的性能表征研究
        5.3.1 气相二氧化硅的“逾渗阈值
        5.3.2 离电压力传感橡胶单位面积电容及其影响因素分析
        5.3.3 离电压力传感橡胶杨氏模量
    5.4 橡胶离电压力传感器性能表征研究
    5.5 本章小结
第6章 离电压力传感橡胶材料的应用研究——电子皮肤
    6.1 电子皮肤概述
    6.2 基于离电压力传感橡胶材料的电子皮肤传感系统
        6.2.1 柔性电路板（FPC）电极设计
        6.2.2 柔性电路板（FPC）电极防串扰设计
        6.2.3 电子皮肤传感系统测试采集电路及软件
    6.3 基于离电压力传感橡胶材料的电子皮肤性能测试及应用
        6.3.1 电子皮肤触觉空间分辨率测试
        6.3.2 电子皮肤静态识别形状能力
        6.3.3 电子皮肤静态识别头发丝
        6.3.4 电子皮肤盲文识别实验
    6.4 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 总结
        7.1.1 本论文的主要工作
        7.1.2 本论文的主要创新点
    7.2 展望
        7.2.1 用于离电压力传感的新型离电压力传感材料的开发
        7.2.2 离电压力传感橡胶在三维力触觉电子皮肤的潜在应用
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 熊耀旭;胡友根;朱朋莉;孙蓉;汪正平;;微纳结构柔性压力传感器的制备及应用[J];化学进展;2019年06期

2 钟华;;石墨烯纸基压力传感器研究取得重要进展[J];中华纸业;2017年18期

3 韩志清;杨晓红;邱昀梵;张龙琳;周莉;;柔性压力传感器在智能纺织品中的应用[J];棉纺织技术;2020年04期

4 侯星宇;郭传飞;;柔性压力传感器的原理及应用[J];物理学报;2020年17期

5 ;清华大学石墨烯纸基压力传感器研究获重要进展[J];分析仪器;2017年05期

6 刘胜强;谭晓兰;吕博;刘德祥;周文博;;柔性压力传感器的研制[J];机械工程师;2020年10期

7 周剑;侯占强;肖定邦;;极端环境下压力传感器的研究进展[J];国防科技;2015年04期

8 李建新，张光烈;如何正确选择压力传感器[J];中国仪器仪表;1996年03期

9 何崟;周艺颖;刘皓;孙可可;李晓久;王晓云;;基于碳材料的柔性压力传感器研究进展[J];化工进展;2018年07期

10 FU M;ZHANG J M;JIN Y M;;基于陶瓷纳米纤维的柔性压力传感器[J];张江科技评论;2020年04期

相关博士学位论文 前10条

1 李森;离电柔性压力传感技术及其应用研究[D];中国科学技术大学;2020年

2 束逸;基于新型微纳结构的柔性压力传感器基础研究[D];清华大学;2015年

3 李冀;基于机器学习和智能优化算法的压力传感器补偿技术研究[D];厦门大学;2017年

4 李旺旺;蓝宝石高温压力传感器关键技术研究[D];中北大学;2019年

5 朱芸松;基于石墨烯的表皮压力传感器的设计、制备与建模[D];中国科学技术大学;2018年

6 曹钢;硅微压力传感器设计、制造及批量调理与测试技术研究[D];华中科技大学;2017年

7 阮喻;声表面波压力传感器及其无线无源测量系统研究[D];重庆大学;2018年

8 程文;电子皮肤器件微纳结构设计研究[D];南京大学;2018年

9 陈德勇;微机械谐振梁压力传感器研究[D];中国科学院研究生院（电子学研究所）;2002年

10 冯志刚;自确认压力传感器的研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘康宁;基于碳材料的柔性压力传感器的制备与性能研究[D];电子科技大学;2020年

2 帅行天;基于导电纳米材料的柔性压力传感器的制备及应用[D];中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院);2017年

3 翟庆彬;基于微结构的印刷柔性压力传感器研究[D];北京印刷学院;2015年

4 肖伦;对电极式柔性压力传感器制备及器件结构优化研究[D];电子科技大学;2017年

5 熊耀旭;柔性压力传感器的制备及灵敏度影响因素探究[D];中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院);2020年

6 郭振新;基于新型功能复合材料的印刷电容式柔性压力传感器研究[D];北京印刷学院;2020年

7 马龙全;基于微阵列电极和复合材料介电层的柔性压力传感器的制备及应用[D];深圳大学;2019年

8 罗毅辉;石墨烯复合材料柔性压力传感器的喷印制造及性能研究[D];厦门大学;2019年

9 杨聪;爆炸冲击波动态测量压电式压力传感器研究[D];济南大学;2019年

10 于江涛;柔性力敏薄膜材料制备及压力传感器阵列的研制[D];电子科技大学;2019年

本文编号：2893387