【摘要】：隨著可穿戴式設(shè)備的興起,可以吸附皮膚測(cè)量人體生理信號(hào)的表皮傳感器引起了人們廣泛的關(guān)注。其中表皮壓力傳感器可以監(jiān)測(cè)心率,是可穿戴式設(shè)備領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于具有靈敏度高和響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn),接觸電阻式壓力傳感器在眾多類型的器件中脫穎而出。但是,這種壓力傳感器線性工作范圍窄的弱點(diǎn),限制了它在心率監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。如何保證器件的高靈敏度以及快速響應(yīng)性能,同時(shí)又能擴(kuò)展其線性工作范圍,是該類器件應(yīng)用于實(shí)時(shí)心率監(jiān)測(cè)面臨的挑戰(zhàn)。人們普遍認(rèn)為此類器件的壓力響應(yīng)取決于接觸面的微觀結(jié)構(gòu),所以解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。但是由于缺乏理論模型的指導(dǎo),如何設(shè)計(jì)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)器件的靈敏度、線性工作范圍等參數(shù),仍是一個(gè)未解決的問(wèn)題。為了解決以上問(wèn)題,本博士論文利用激光直寫技術(shù),圍繞接觸電阻式表皮壓力傳感器的設(shè)計(jì)、制備和建模開(kāi)展了一系列工作,主要內(nèi)容如下:在第一章中,我們簡(jiǎn)要介紹了表皮電子器件的特點(diǎn)和類型,然后綜述了表皮壓力傳感器的研究進(jìn)展,最后闡明了本論文的研究目標(biāo)與內(nèi)容。在第二章中,我們?cè)O(shè)計(jì)并制造一種基于非對(duì)稱雙層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的接觸電阻式表皮壓力傳感器。該器件由兩層結(jié)構(gòu)組成:一層是叉指電極層,另一層是導(dǎo)電層。這兩層都是由激光還原石墨烯構(gòu)成的。器件的初始電阻取決于上下兩層交疊的面積,可由叉指電極的長(zhǎng)度、寬度和數(shù)量調(diào)節(jié),進(jìn)而通過(guò)初始電阻來(lái)調(diào)節(jié)器件的靈敏度和工作范圍�；谏鲜黾軜�(gòu)和方法制備的壓力傳感器的靈敏度可達(dá)～2 kPa-1,線性工作范圍可至～200 Pa,而且響應(yīng)時(shí)間短至～0.15 ms。此器件不僅能檢測(cè)到手指的觸摸和手腕的彎曲,而且能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈搏。在第三章中,我們提出了一種通過(guò)激光輻照將聚二甲基硅氧烷(PDMS)直接轉(zhuǎn)化為石墨烯的新方法,并且基于這種方法制備了高靈敏的接觸電導(dǎo)式表皮壓力傳感器。拉曼測(cè)試結(jié)果表明激光輻照能夠把PDMS表面轉(zhuǎn)化為石墨烯。這種通過(guò)激光直寫方式制備的石墨烯具有高導(dǎo)電性和優(yōu)異的機(jī)械性能,因此可以直接用來(lái)制作壓力傳感器。所制備的器件具有超高的靈敏度(～480kPa-1)、快速的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間(2μs/3μs;)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(4000周期)。此器件可以直接吸附在手腕的皮膚上監(jiān)測(cè)脈搏。此外,我們還制作了一個(gè)7×7的壓力傳感器陣列來(lái)探測(cè)壓力的空間分布,展示了其在電子皮膚領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。在第四章中,我們基于高度累積分布函數(shù)建立了接觸電導(dǎo)式壓力傳感器的理論模型。本模型綜合考慮了接觸面和襯底的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)壓力響應(yīng)的影響。模型不僅可以從接觸面的AFM高度數(shù)據(jù)直接計(jì)算出電導(dǎo)與壓力的曲線,而且可以從微觀結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)推導(dǎo)出電導(dǎo)與壓力的關(guān)系。因此,這個(gè)簡(jiǎn)單的模型為通過(guò)改變接觸面和襯底的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)接觸電導(dǎo)式壓力傳感器的性能參數(shù)提供了一個(gè)有力的工具。在第五章中,我們總結(jié)了論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和不足之處,并對(duì)未來(lái)可以開(kāi)展的重要研究方向做了展望。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212
【圖文】：

１．２．１壓力傳感器的分類逡逑壓力傳感器主要可分為三類：電阻式、電容式和壓電式。它們的壓力傳感機(jī)逡逑制如圖１．４所示。逡逑電阻式壓力傳感器能將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。這種傳感器由于其簡(jiǎn)逡逑單的結(jié)構(gòu)和讀出電路而得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，我們只需把一個(gè)壓阻逡逑傳感器與一個(gè)合適的固定電阻串聯(lián)構(gòu)成分壓電路，就可以將電阻的變化轉(zhuǎn)化為逡逑電壓的變化，再由單片機(jī)讀取電壓經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)。逡逑電容式壓力傳感器能將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容的變化。電容由Ｃ邐／ｄ描逡逑述，其中ｅ代表介質(zhì)的介電常數(shù)Ｍ代表電容的面積和ｄ代表電容的間距。所以，逡逑在壓力作用下ｅ、Ｊ和ｄ的變化都會(huì)引起電容的變化。但是電容一般比較�。◣族义蟼�(gè)ｐＦ），很難準(zhǔn)確測(cè)量。在實(shí)際的應(yīng)用中，需要復(fù)雜的電路將電容轉(zhuǎn)化成電壓。逡逑壓電式壓力傳感器能將壓力的變化轉(zhuǎn)換為表面電荷的變化。當(dāng)壓電晶體受到逡逑外力時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生定向的電偶極，它們?cè)趦?nèi)部相互抵消僅在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)逡逑相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，壓電晶體恢復(fù)原狀態(tài)，表面電荷消失；當(dāng)施加的外逡逑力方向相反時(shí)

１．壓電式表皮壓力傳感器逡逑Ｒｏｇｅｒｓ研宄組將無(wú)機(jī)壓電材料鈦酸鋯鉛（ＰＺＴ）和硅場(chǎng)效應(yīng)管相結(jié)合制作了逡逑一種超薄、緊湊的壓電式表皮壓力傳感器６。如圖１．５所示，這器件面積僅僅１逡逑ｃｍ２，重量輕至２邋ｍｇ，厚度薄至２５叫，而且伸展３０％還能正常工作。由于其整逡逑體的有效模量和皮膚相近，所以可以舒適地貼合皮膚。這個(gè)器件的性能優(yōu)越，同逡逑時(shí)具有高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間、低磁滯和高穩(wěn)定性，所以可以精確地測(cè)量脈搏逡逑壓力波。Ｒｏｇｅｒｓ等人把厚度大約為４００邋ｎｍ的高質(zhì)量的ＰＺＴ薄片作為敏感元件，逡逑并同以硅納米膜為ｎ型溝道的場(chǎng)效應(yīng)管的柵電極連接在一起。在這種設(shè)計(jì)里，場(chǎng)逡逑效應(yīng)管不僅放大了邋ＰＺＴ的壓電信號(hào)，而且通過(guò)電容耦合將壓電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流逡逑輸出。逡逑５逡逑

圖１．４三種主要的壓力傳感原理示意圖５：邋（ａ）壓阻；（ｂ）壓容；（ｃ）壓電逡逑１．２．２表皮壓力傳感器的研究現(xiàn)狀逡逑表皮壓力傳感的工作比較多，我們從中各挑選一些經(jīng)典的工作來(lái)作為實(shí)讀者對(duì)各類傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)有一個(gè)具體的認(rèn)識(shí)，并且了解表皮壓力傳究現(xiàn)狀。逡逑１．壓電式表皮壓力傳感器逡逑ｏｇｅｒｓ研宄組將無(wú)機(jī)壓電材料鈦酸鋯鉛（ＰＺＴ）和硅場(chǎng)效應(yīng)管相結(jié)合制超薄、緊湊的壓電式表皮壓力傳感器６。如圖１．５所示，這器件面積僅重量輕至２邋ｍｇ，厚度薄至２５叫，而且伸展３０％還能正常工作。由于有效模量和皮膚相近，所以可以舒適地貼合皮膚。這個(gè)器件的性能優(yōu)越有高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間、低磁滯和高穩(wěn)定性，所以可以精確地測(cè)量波。Ｒｏｇｅｒｓ等人把厚度大約為４００邋ｎｍ的高質(zhì)量的ＰＺＴ薄片作為敏感一

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 盛文軍;;壓力傳感器發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J];科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊;2018年18期

2 林劍濤;曹曉峰;祝睿雪;周俐娜;程永進(jìn);;光纖光柵壓力傳感器的研究進(jìn)展與趨勢(shì)[J];光學(xué)儀器;2017年01期

3 劉s

本文編號(hào)：2803089