用于接触压力测量的新型高柔弹性电子皮肤研究

发布时间：2017-05-14 07:12

  本文关键词：用于接触压力测量的新型高柔弹性电子皮肤研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：电子皮肤(E-skin)是当今电子、机械、仪器和医学等领域的研究热点之一,直接关系到机器人、医疗设备、人体假肢、可穿戴设备等载体的智能化和多功能化。本论文针对目前电子皮肤不能兼顾高柔弹性和接触压力测量功能等难题,基于新型纳米材料—银纳米线(AgNWs)、弹性高分子材料PDMS和柔性压阻材料—压阻橡胶,综合应用材料科学、机械设计、传感器技术等学科领域的理论与方法,开展了用于接触压力测量的新型高柔弹性电子皮肤的研究。本论文主要研究工作及取得的创新性成果如下： (1)提出了利用基于银纳米线和PDMS的复合材料制作压阻式压力传感器阵列导线和电极从而实现阵列柔弹性的新方法。研究了基于银纳米线和PDMS的柔弹性导线和电极表面金属化和氧等离子体处理前后的拉伸性、导电性、可靠性等特性,分析了其在拉伸和使用过程中的微观表面形貌演变。应用电接触理论,研究了柔弹性电极与压阻橡胶接触面磨损及接触电阻的问题,利用表面工程技术中的电子束蒸镀和磁控溅射,分别在柔弹性电极和压阻材料上形成了一层纳米级厚度的金属层,在降低并稳定接触电阻的同时起到了固体润滑的作用,降低了电极磨损。研究成果为电子皮肤的设计与制作提供了新的方法和理论依据。 (2)提出了一种基于“多孔PDMS"与AgNWs/PDMS电极的新型“三明治”式压力传感器阵列结构,突破了传统“三明治”结构缺乏柔弹性的限制,使得阵列的弹性拉伸率超越人类皮肤达到了30%。应用纳米光刻和多次旋涂技术,完成了SU-8光刻胶模具的制备,实现了多孔PDMS快速重复的制作。 (3)研发了用于接触压力测量的新型高柔弹性电子皮肤。综合利用弹性薄板理论,有限元设计、纳米制造和3D打印等方法实现了电子皮肤的设计与制作,对电子皮肤进行了平面和三维加载等实验,结果表明,电子皮肤具有良好的可靠性和可扩展性,能够贴合载体三维复杂静/动态表面测量接触压力,解决了电子皮肤不能兼顾高柔弹性和接触压力测量功能等难题。进行了电子皮肤与结肠镜的集成应用测试,穿戴电子皮肤的结肠镜实现了对内外压力的感知,为电子皮肤在医疗器械和机器人上的应用奠定了基础。
【关键词】：银纳米线 PDMS 柔弹性 压阻原理 电子皮肤
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-10
• 1 引言10-12
• 2 课题综述12-28
• 2.1 电子皮肤的应用12-14
• 2.2 电子皮肤的研究现状14-24
• 2.3 电子皮肤研究存在的问题24-25
• 2.4 课题背景及研究内容25-28
• 2.4.1 课题来源25
• 2.4.2 课题研究内容25-28
• 3 基于银纳米线和PDMS的柔弹性导线研究28-42
• 3.1 导线的柔弹性化研究28-34
• 3.1.1 导线的柔弹性化策略28-31
• 3.1.2 导线的柔弹性化方案31-34
• 3.2 基于银纳米线和PDMS的柔弹性导线制备34-37
• 3.3 平行导线阵列的性能分析37-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 柔性压力传感器阵列及传感器系统的研究42-61
• 4.1 导电橡胶的压阻效应42-45
• 4.2 压阻式压力传感器系统的建立45-51
• 4.2.1 传感单元的阵列化45-47
• 4.2.2 扫描电路的设计47-49
• 4.2.3 系统软硬件的搭建49-51
• 4.3 柔性压力传感器阵列的制备51-54
• 4.3.1 柔性压力传感器阵列的设计51-52
• 4.3.2 柔性压力传感器阵列的制作52-54
• 4.4 柔性压力传感器阵列的性能研究54-59
• 4.4.1 导电橡胶的压阻特性分析54-55
• 4.4.2 柔性传感器阵列导线的性能分析55-57
• 4.4.3 传感器阵列标定实验台的搭建57-58
• 4.4.4 传感器系统性能分析58-59
• 4.5 本章小结59-61
• 5 柔性压力传感器阵列的弹性化研究61-77
• 5.1 柔性压力传感器阵列的弹性化设计61-62
• 5.2 SU-8光刻胶模具的制备62-69
• 5.3 柔弹性压力传感器阵列的制作69-70
• 5.4 柔弹性压力传感器阵列的性能研究70-75
• 5.4.1 柔弹性传感器阵列导线的性能分析70-72
• 5.4.2 传感单元的压阻特性分析72-74
• 5.4.3 传感器系统性能分析74-75
• 5.5 本章小结75-77
• 6 用于接触压力测量的高柔弹性电子皮肤的设计与性能研究77-118
• 6.1 基于银纳米线和PDMS的电极与压阻橡胶的电接触研究77-91
• 6.1.1 柔弹性电极与压阻材料电接触问题分析77-81
• 6.1.2 基于表面工程技术的柔弹性电极制备81-85
• 6.1.3 柔弹性电极的性能分析85-91
• 6.2 高柔弹性电子皮肤的设计与制作91-102
• 6.2.1 电子皮肤设计中关键问题的研究92-98
• 6.2.2 电子皮肤的制作98-102
• 6.3 高柔弹性电子皮肤的性能研究102-114
• 6.3.1 电子皮肤导线的性能分析102-104
• 6.3.2 电子皮肤传感单元特性分析104-113
• 6.3.3 电子皮肤系统性能分析113-114
• 6.4 高柔弹性电子皮肤与结肠镜的集成研究114-116
• 6.5 本章小结116-118
• 7 总结与展望118-122
• 7.1 研究总结118-119
• 7.2 本文的创新点119
• 7.3 下一步工作展望119-122
• 参考文献122-136
• 附录A 微控制器Microcontroller-Parallax BS2p40原理图136-137
• 作者简历及在学研究成果137-141
• 学位论文数据集141

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 TOK Jeffrey B.-H.;;Recent advances in flexible and stretchable electronics, sensors and power sources[J];Science China(Chemistry);2012年05期

  本文关键词：用于接触压力测量的新型高柔弹性电子皮肤研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：364514