柔性压力传感器设计及其人体运动监测研究

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柔性压力传感器作为一种新兴的电子器件,克服了传统刚性压力传感器灵敏度低、传感范围窄、变形能力有限、分辨率低等缺点,广泛应用于人体运动监测。本论文通过总结柔性传感器的研究现状,发现液态金属电阻式柔性压力传感器为了防止液态金属泄露,进行密闭封装,牺牲了传感器的透气性,在穿戴应用时容易造成皮肤刺激与损伤。因此,以该问题作为出发点,研制了一种透气封装的液态金属泡沫柔性电阻式压力传感器,通过性能测试发现该传感器的灵敏度较低,针对这一问题,研制了一种高灵敏度的液态金属弹性体泡沫柔性电容式压力传感器,该传感器虽然具有极高的灵敏度,但是其最大压力测量极限受到限制,为了解决电容式压力传感器高灵敏度与大压力测量极限之间的矛盾,研制了一种基于可变刚度机理的柔性电容式压力传感器。最终,将三种压力传感器应用到人体运动监测方面。具体的研究内容如下:(1)针对液态金属柔性电阻式压力传感器的不透气性问题,以PDMS泡沫作为模板,采用失蜡法在泡沫中间层浸涂液态金属,制备得到透气封装的液态金属泡沫,并设计“三叉戟”结构的三维电极,组装得到透气封装的液态金属泡沫柔性电阻式压力传感器。传感器的多孔结构使其具有与纤维类似的良好透气性,上下层的PDMS泡沫实现了液态金属的封装,中间层的液态金属泡沫实现了传感功能。同时,一体化的泡沫结构使该传感器机械性能优异,且具有较低的迟滞性(10.6%)、快速响应时间(85 ms)与恢复时间(165 ms)以及良好的稳定性,但灵敏度较低(1.4 Pa-1)。(2)针对透气封装的液态金属泡沫柔性电阻式压力传感器灵敏度较低的问题,在液态金属弹性体中混合和溶解糖颗粒制备液态金属弹性体泡沫作为传感器的介电层,并设计带有屏蔽层的柔性电极,组合得到高灵敏度的液态金属弹性体泡沫柔性电容式压力传感器。该传感器的泡沫结构使其具有良好的柔性与较低的弹性模量(10.2 k Pa),结合液态金属弹性体的高介电常数,极大地提高了它的灵敏度(0.36 k Pa-1)。此外,该传感器展示出快速的响应、恢复时间(<49 ms)与较低的迟滞性(8.7%),可检测低至4.9 Pa的微小压力变化,并具有良好的可靠性、稳定性和重复性。(3)针对电容式压力传感器高灵敏度与大压力测量极限之间的矛盾,在弹性体腔中封装玻璃球颗粒制备得到可变刚度的传感器介电层,并设计带有屏蔽层的柔性电极,组合得到高灵敏度与大压力测量极限的柔性电容式压力传感器。该传感器可压缩性良好,在压缩过程中弹性模量逐渐增大,实现了高灵敏度(0.023 k Pa-1)与大压力测量极限(320k Pa),同时展示了快速的响应与恢复时间(<70 ms)以及良好的稳定性,且可测量低至70Pa的微小压力。(4)根据上述三种柔性压力传感器的性能特点,将传感器应用于不同部位的人体运动监测。透气封装的液态金属泡沫柔性电阻式压力传感器灵敏度较低,实现了手腕、手指、肘腕、膝盖四个压力比较大部位的准确监测;液态金属弹性体泡沫柔性电容式压力传感器灵敏度高,实现了脸部、小臂、颈部、大臂四个压力比较小部位的准确监测;基于可变刚度机理柔性电容式压力传感器集高灵敏度与大压力测量极限于一体,应用范围不受限,可以监测手臂、脸部、手肘和膝盖这四个的部位,并基于该传感器设计智能鞋垫,实现了足底压力的监测。
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