【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來,作為智能互聯(lián)終端的傳感器技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。其中,可穿戴式人體健康監(jiān)測(cè)傳感器由于其便攜,使用方便,測(cè)量準(zhǔn)確等特點(diǎn),將成為人類健康生活的得力助手。然而,目前的可穿戴設(shè)備均面臨能量來源的限制,商用電池將降低可穿戴電子設(shè)備的便攜性,并且在充電時(shí)期可穿戴電子設(shè)備無法正常使用。因此,利用駐極體機(jī)電換能方法制作的柔性可穿戴式力電傳感器與機(jī)電換能器件,并利用這些器件構(gòu)建自供能系統(tǒng),是一種可行的能量來源解決方案。本論文圍繞基于靜電感應(yīng)的駐極體機(jī)電換能技術(shù),在柔性機(jī)電換能器件,柔性可穿戴式傳感器與開發(fā)駐極體材料的新應(yīng)用方面展開了系統(tǒng)研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:1.研究討論了駐極體常見的電暈充電技術(shù)與駐極體貯存電荷流失的因素。構(gòu)建了多孔壓電駐極體的形變/輸出近似公式以及受力/形變數(shù)學(xué)關(guān)系。詳細(xì)地研究了駐極體機(jī)電換能器件參數(shù)與機(jī)電耦合性能的關(guān)系。2.通過壓力膨化,電暈極化的方法將原生雙向拉伸含孔洞聚丙烯(Polypropolene,PP)薄膜制備成多孔聚丙烯壓電駐極體。研究了不同工藝下的多孔聚丙烯壓電駐極體薄膜的壓電系數(shù)d_(33),并尋找多孔聚丙烯壓電駐極體薄膜的最優(yōu)加工方法。通過最優(yōu)加工方法的多孔聚丙烯壓電駐極體薄膜具有良好的機(jī)電換能性質(zhì)與可靠性,其靜態(tài)壓電系數(shù)d_(33)達(dá)到約210 pC/N,并且在超過9000次循環(huán)激勵(lì)測(cè)試,60℃下保持壓電性能穩(wěn)定。利用多孔聚丙烯壓電駐極體構(gòu)建了柔性可穿戴式人體喉結(jié)振動(dòng),脈搏傳感器,實(shí)現(xiàn)了多孔聚丙烯壓電駐極體薄膜在可穿戴式人體健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面的初步應(yīng)用。3.通過模板熱壓的方法實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)/性能可調(diào)節(jié)的可熔性聚四氟乙烯(PFA)壓電駐極體。詳細(xì)分析了PFA壓電駐極體開路電壓與結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,并構(gòu)建了壓電駐極體在不同應(yīng)力下的非線性形變模型,實(shí)驗(yàn)證明這種模型與真實(shí)測(cè)量結(jié)果具有很高的吻合度。這種可通過設(shè)計(jì)內(nèi)部陣列式支撐結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行優(yōu)化的PFA壓電駐極體在0-2.5 kPa低壓力范圍內(nèi)達(dá)到約15 V/kPa的高靈敏度。將PFA壓電駐極體應(yīng)用于制作可穿戴式人體脈搏,呼吸,聲音以及步頻傳感器,展示了PFA壓電駐極體在人體健康監(jiān)測(cè)方向的良好應(yīng)用前景。4.設(shè)計(jì)了一種高性能的基于駐極體靜電感應(yīng)式機(jī)電換能結(jié)構(gòu)。利用厚度為30μm的氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)負(fù)電荷駐極體薄膜,在4×4 cm~2的限定面積,總厚度不超過2 mm的條件下,在正向激勵(lì)峰值為5 N,頻率為5 Hz的條件下,峰值功率達(dá)到2.5μW/cm~2。該機(jī)電換能器件在超過27000次的循環(huán)測(cè)試中性能保持穩(wěn)定。同時(shí),利用FEP柔性機(jī)電換能器件在按壓情況下脈沖式電流輸出特性,制作了自供能的風(fēng)扇遙控開關(guān),拓展了駐極體靜電感應(yīng)式器件的應(yīng)用領(lǐng)域。5.在限定空間體積內(nèi),通過正,負(fù)電荷駐極體混合插層的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提升了器件的機(jī)電換能特性,獲得了更高的電流、功率輸出特性。分析了這種機(jī)電換能器件的工作原理與輸出特性,并對(duì)比了在研究中設(shè)計(jì)的三種器件結(jié)構(gòu)所具有的電流,峰值功率輸出特性�；贔EP與環(huán)烯烴類共聚物(COC)駐極體薄膜的混合插層機(jī)電換能器,在5 N微弱機(jī)械激勵(lì)條件下電流峰值能達(dá)到約1μA,并隨著外界激勵(lì)增加,其輸出能夠進(jìn)一步提升。該研究對(duì)于限定體積的駐極體機(jī)電換能器件設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
【圖文】：

中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 1 緒論網(wǎng)作為二十一世紀(jì)這個(gè)“信息化”時(shí)代的重要標(biāo)志，一直受到人學(xué)家預(yù)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)如同互聯(lián)網(wǎng)一樣迎來井噴式的爆發(fā)，但是到了傳感器技術(shù)、兼容技術(shù)、安全技術(shù)等諸多因素的限制。其相連”的核心部件，大量分布式傳感器的供能問題成為了物聯(lián)。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文們的日常生活息息相關(guān)。盡管微型傳感器已經(jīng)盡可能的實(shí)現(xiàn)了微型化，而制作相應(yīng)的可穿戴健康監(jiān)測(cè)傳感器卻是一項(xiàng)相當(dāng)困難的挑戰(zhàn)[9]�？纱└衅鲬�(yīng)當(dāng)方便與人體或衣服材質(zhì)結(jié)合，并且具有自動(dòng)，對(duì)人體無害等特應(yīng)滿足方便使用的特點(diǎn)，這同樣要求健康監(jiān)測(cè)傳感器具有低功耗，，測(cè)量。為了滿足商品化的需求，健康監(jiān)測(cè)傳感器還需要降低器件成本。綜上有優(yōu)異性能，并且方便使用的可穿戴人體健康傳感器是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性實(shí)用價(jià)值的研究課題。根據(jù)《2018 年可穿戴設(shè)備研究報(bào)告》的研究表康監(jiān)測(cè)設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)（IOT）與 5G 的推動(dòng)下扮演重要角色。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 王震;;非線性機(jī)電換能器混沌系統(tǒng)的無源化控制[J];控制理論與應(yīng)用;2011年07期

2 蘇敏;雷騰飛;黃麗麗;付海燕;曹鳳;;一類非線性機(jī)電換能器混沌系統(tǒng)的最優(yōu)控制[J];邵陽學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2017年06期

3 林勁;適用于標(biāo)定機(jī)電換能器和地震儀的一種互易法[J];地震學(xué)報(bào);1980年04期

4 王震;孫衛(wèi);惠小健;李永新;;非線性機(jī)電換能器混沌系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與控制[J];制造業(yè)自動(dòng)化;2014年19期

5 曹麗曼;;壓電式加速度傳感器振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用研究[J];自動(dòng)化與儀器儀表;2015年07期

6 汪芳;壓電發(fā)生器電源[J];現(xiàn)代引信;1985年04期

7 李翠;李效民;鐘美芳;;壓電式加速度傳感器的智能應(yīng)用[J];實(shí)驗(yàn)室研究與探索;2010年10期

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 張玉寶;王磊;;基于振動(dòng)過程的機(jī)電換能器研究[A];2009系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2009年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 吳楠;用于自供能傳感與低頻能量收集的柔性駐極體換能器[D];華中科技大學(xué);2019年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 袁永杰;開關(guān)磁阻四端口機(jī)電換能器及在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2642562