發(fā)布時間：2020-10-30 09:05

　　 智能可穿戴健康監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效降低病人的死亡率和改善老年人的生活質(zhì)量。柔性壓阻傳感器是獲取人體生物信息的關(guān)鍵部件,是可穿戴健康監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)性技術(shù),高性能柔性壓阻傳感器的研究對于智能服裝服飾的發(fā)展具有重要意義。為了研究不同類型柔性壓阻傳感器的性能并闡明其傳感機理,本課題制備了三種類型傳感器:1、改性石墨/聚氨酯柔性壓阻傳感器,2、改性多壁碳納米管/聚氨酯柔性壓阻傳感器,3、界面微米結(jié)構(gòu)的多壁碳納米管-銀納米線/聚氨酯柔性壓阻傳感器。首先,將表面改性的石墨和多壁碳納米管分別摻雜到聚氨酯樹脂中獲得兩種具有良好彈性的導(dǎo)電膜,并制備出三明治結(jié)構(gòu)的改性石墨/聚氨酯柔性壓阻傳感器和改性多壁碳納米管/聚氨酯柔性壓阻傳感器。以SEM、TEM、FTIR光譜、拉曼光譜、介電光譜和自行研制的力學(xué)-電學(xué)性能測試儀,系統(tǒng)研究了導(dǎo)電膜及其傳感器的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和電學(xué)性能。研究顯示:改性的石墨和多壁碳納米管的粒徑比比未改性時分別降低了 16.7%和36%,表明改性后的微納米顆粒在聚氨酯基體中的分散性明顯改善;低摻雜質(zhì)量比的改性石墨/聚氨酯和改性多壁碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電膜在高頻激勵信號下具有電容效應(yīng),依據(jù)此實驗現(xiàn)象本文構(gòu)建了新的導(dǎo)電通道模型;導(dǎo)電膜的電阻相對變化率和壓強之間存在二次冪函數(shù)關(guān)系,對此函數(shù)求導(dǎo)可獲得壓阻響應(yīng)的靈敏度與壓強的對應(yīng)關(guān)系,為計算和預(yù)測柔性壓阻傳感器的靈敏度提供了一種新方法;30wt%改性石墨/聚氨酯導(dǎo)電膜的壓阻靈敏度達到最高值6.38kPa-1,其遲滯性和重復(fù)性誤差分別為占2.3%和±20%;1wt%改性多壁碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電膜的壓阻靈敏度最高為4.208 kPa-1,其遲滯性和重復(fù)性誤差分別為±8.2%和±6.63%。為了進一步提高柔性壓阻傳感器的靈敏度和簡化其結(jié)構(gòu),采用模板法制備出表面微米條紋結(jié)構(gòu)的多壁碳納米管-銀納米線/聚氨酯導(dǎo)電膜,將導(dǎo)電膜的微米結(jié)構(gòu)面與交互式單面電極復(fù)合制備出微米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電膜/單面電極柔性壓阻傳感器。在0-2kPa的壓強范圍內(nèi)該傳感器的靈敏度高達46.93kPa-1。多壁碳納米管和銀納米線混合摻雜的柔性壓阻傳感器的重復(fù)性和遲滯性分別為±4.15%和±1.56%。有限元仿真實驗結(jié)果顯示導(dǎo)電膜的微米結(jié)構(gòu)和單面電極的接觸面積,與導(dǎo)電膜的壓阻靈敏度存在負相關(guān)性。將已制備的柔性壓阻傳感器用于人體生理信號監(jiān)測,建立了柔性壓阻傳感器在測量人體脈搏跳動或呼吸頻率時的力學(xué)模型并研究了其工作原理,為拓展和優(yōu)化柔性傳感器在智能服裝服飾中的應(yīng)用提供了理論支持。最后,應(yīng)用上述三種柔性壓阻傳感器制備出了壓力分布測量鞋墊、呼吸頻率測量背心及壓力測量手套等智能服裝服飾,測試結(jié)果顯示上述智能服裝服飾能夠準確檢測人體足底的壓力分布、呼吸頻率和手指指尖壓力。柔性壓阻傳感器在智能服裝服飾和智能家居產(chǎn)品中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：天津工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TS941.2;TP212
【部分圖文】：

腦電、呼吸、脈搏、汗液成分等）、運動信息、人體姿態(tài)、聲音信息及周邊環(huán)境??信息，通過信號采集模塊將測量的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并存儲或通過無線??方式傳輸?shù)街行墓?jié)點，如圖１－１所示。???Ｔ—－飛＼??：［＾Ｅｐｉ｜，?＼????；ｒ＾ｗ２｜；?采?Ｉ?＼??：Ｉｆｆ?ＡＳＭ?ｎｉｌ?理樓塊?Ｉ?＼???｛（（ｆｔ??Ａ?民屮??圖ｌ－ｌ可穿戴設(shè)備工作原理圖⑴??１??

料的柔性壓力傳感器，能夠達到高靈敏度、寬線性和快速響應(yīng)。其感測能力甚至??超過人類皮膚，能夠為可穿戴醫(yī)療保健系統(tǒng)、電子皮膚和人機交互智能便攜設(shè)備??提供關(guān)鍵技術(shù)支持，如圖１－２所示。??柔性壓力傳感器依據(jù)工作原理可分為壓阻式、電容式、壓電式和摩擦發(fā)電式??［３］、摩擦發(fā)電機［｜｜＿１２］、離子壓電效應(yīng)［１３］、力致發(fā)光［１４］等。不同敏感機制的傳感器??具有不同原理和特點，如圖１－３所示。電容式、壓電式和摩擦發(fā)電式柔性壓力傳??感器對力的敏感性強，可實現(xiàn)低能耗和微力測量，但在可穿戴系統(tǒng)的長期監(jiān)控中，??測量電路復(fù)雜、容易被干擾、重復(fù)性差等問題是其存在的主要不足。早在上個世??紀７０年代，Ｊｅｆｆｅｒｓ，?Ｆ．Ｊ．等［１５］就開展了薄膜壓阻傳感器的研宄，在器件上蒸鍍??上硫化鎘涂層，并研宄了器件的壓阻效應(yīng)。隨著材料科學(xué)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，??柔性壓阻式應(yīng)力傳感器近年來成為柔性傳感器的一個重要研宄方向，并取得了長??足的進步。??（ａ）壓阻式?（ｂ）壓電式?（ｃ）電容式?（ｄ）隋攛電??ＢＢＢＢＢ?Ｂｌｉｎｉ?Ｂ５ＢＳａ？ｉ?ＢＭｉｉｌＨ??ＶＸ?Ｔ?Ｃ）?＋?Ｃ）??＼ｒ＾ｉｌ????二「’??＼?＼?Ｉ?＼??１?４?－１?１?ｉ?ｉ?１Ｖ?１?ｉ?１?ｉ?ｉ?１Ａ??ｉ?＂ｒ?－－??ＨＢＩＢｆｉｌＢｉ??圖１－３柔性壓力傳感器四種信號感應(yīng)機制示意圖：（ａ）壓阻式；（ｂ）壓電式；（ｃ）電容??式；（ｄ）摩擦電??目前

天津工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文??２４％的研究集中在碳基柔性壓力傳感上。自２０世紀９０年代，研宄者開性的電子材料來制備大面積、低成本和可打印的傳感器以來［２７］，相關(guān)研在近５年得到了極大的關(guān)注。２００９年，Ｗａｎｇ，Ｌ．等人［２８］第一次使用碳材）摻雜的導(dǎo)電復(fù)合材料制作柔性陣列壓力傳感器。此后，碳基導(dǎo)電材料潛力的柔性傳感器的感應(yīng)材料。??１５０????
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本文編號：2862259