發(fā)布時(shí)間：2021-06-26 05:21

　　電子皮膚是通過結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)模擬人體皮膚進(jìn)行感知外界壓力、光照、溫度和濕度的功能性器件,是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要媒介。其中,溫度是自然界中重要的物理量,已有研究者對電子皮膚的溫度傳感進(jìn)行研究,然而鮮有人對假肢進(jìn)行系統(tǒng)的溫覺研究。當(dāng)前的假肢已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏的機(jī)械操作,但由于其材料和結(jié)構(gòu)特性,欠缺舒適度。為提高假肢在使用者中的接受度和實(shí)用性,本文提出在假肢表面進(jìn)行電子皮膚的溫覺仿生設(shè)計(jì),以解決針對假肢表面堅(jiān)硬冰冷的問題。由于人體的溫覺系統(tǒng)包括溫覺感知和體溫調(diào)節(jié),因此在此基礎(chǔ)上分別在溫度傳感和溫度調(diào)控方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體如下:制備了基于二維彈簧結(jié)構(gòu)的熱電偶作為假肢表面的溫度傳感器。設(shè)計(jì)了不同曲率半徑的二維彈簧結(jié)構(gòu),然后加工出相應(yīng)形狀的掩模版,最終用磁控濺射的方式將測溫陣列制備于柔性基底上,并用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為封裝材料,制備出了柔性熱電偶型溫度傳感器。為提高熱電偶的測溫準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度,參考人體纖毛結(jié)構(gòu),在測溫點(diǎn)上連接上高導(dǎo)熱的銅絲作為仿生纖毛。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,柔性纖毛仿生熱電偶能夠識別0.02℃的熱源溫度變化,其靈敏度為41.25μV/K,且溫度傳感陣列具有良好的溫度響應(yīng),能夠分辨出環(huán)... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

電子皮膚的特性以及在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用[10]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-15-性為假肢的分析操作提供準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)。這為溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)增加了制作難度。2.2仿生熱電偶溫度傳感器柔性設(shè)計(jì)隨著柔性電子器件的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)基本可以被歸類為柔性基底、互聯(lián)導(dǎo)體、敏感元件以及封裝材料四部分[51]。這些結(jié)構(gòu)都需要具備柔性，在承受一定的形變條件下需要能夠維持各自的功能，電子皮膚也不外如是。當(dāng)前電子皮膚的制作大多是通過物理/化學(xué)的方式將敏感元件制備在柔性基底上。因此，柔性基底的選擇和敏感元件的設(shè)計(jì)是決定電子皮膚性能是否優(yōu)異的關(guān)鍵。2.2.1溫度傳感器的仿生來源人體皮膚一直是研究者進(jìn)行電子皮膚設(shè)計(jì)的模仿對象，它有著精密的結(jié)構(gòu)，多樣化的功能能夠幫助人類完成日常生活中的各種活動。皮膚中不僅存在著壓力感受器、痛覺感受器等，在實(shí)現(xiàn)人體的溫覺方面，皮膚中還存在著感受基體不同部位溫度變化的結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是人體的溫度感受器。如圖2-1所示，皮膚可以分為表皮層和真皮層，表皮層存在實(shí)現(xiàn)人體溫度感覺的冷點(diǎn)（感知冷覺的結(jié)構(gòu)）和熱點(diǎn)（感知熱覺的結(jié)構(gòu)），真皮層則存在著傳導(dǎo)溫度覺的傳入纖維。例如在人體的手部皮膚中，每平方厘米存在1~5個(gè)冷點(diǎn)和0.4個(gè)熱點(diǎn)。刺激皮膚表面的冷點(diǎn)或熱點(diǎn)，產(chǎn)生的生物信號可以經(jīng)傳入纖維傳導(dǎo)，最終在神經(jīng)中樞中產(chǎn)生冷覺或者熱覺。一般認(rèn)為，皮膚溫度在低于30°C時(shí)使人產(chǎn)生冷覺，皮膚溫度在高于35°C左右則引起溫覺。圖2-1皮膚結(jié)構(gòu)[52]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-16-根據(jù)電子皮膚溫度傳感器需要具備柔性、響應(yīng)速度快和靈敏度高且需要封裝的特點(diǎn)，結(jié)合人體皮膚溫度感受器的結(jié)構(gòu)和功能，我們設(shè)計(jì)了一款基于熱電效應(yīng)的仿生纖毛結(jié)構(gòu)熱電偶溫度傳感器，如圖2-2所示。該熱電偶溫度傳感器以聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）為柔性基底，并根據(jù)材料的力學(xué)特性和需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用微納電子加工手段將測溫元件轉(zhuǎn)移到基底上，使之具備貼合在不同曲面上的能力。模擬人體溫度感受器將熱電偶N型材料和P型材料的測溫結(jié)點(diǎn)視為電子皮膚的“冷點(diǎn)”和“熱點(diǎn)”。單位面積上的測溫結(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以多余人體皮膚溫度感受點(diǎn)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)并可以超過人體皮膚對物體的溫度分辨率。為減弱封裝材料對于電子皮膚熱傳導(dǎo)的影響，通過觀察人體皮膚，提出了模仿皮膚汗腺中的纖毛結(jié)構(gòu)，人體中纖毛結(jié)構(gòu)屬于人體體溫調(diào)節(jié)的汗腺系統(tǒng)，從真皮層長出，起到保護(hù)，緩沖等作用，并在人體的散熱過程中起著重要的作用。該溫度傳感器利用高導(dǎo)熱的纖毛結(jié)構(gòu)作為測溫點(diǎn)的外延結(jié)構(gòu)，能夠減弱低導(dǎo)熱的封裝材料對于熱量傳導(dǎo)的阻礙，加速熱量的傳導(dǎo)，加上熱電偶材料為金屬，具有熱容量小等優(yōu)點(diǎn)，可以解決當(dāng)前溫度傳感器響應(yīng)速度慢、靈敏度低等缺點(diǎn)，這對于推廣電子皮膚在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用具有重要意義。圖2-2溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2宏觀尺度熱電偶型溫度傳感器的制作在進(jìn)行熱電偶陣列的微納加工之前，先進(jìn)行了宏觀尺度的熱電偶溫度傳感器的制作。選用直徑為350μm的銅絲和康銅絲（銅鎳合金Cu:Ni=55:45）作為焊接T型熱電偶的材料。將銅絲和康銅絲剪裁成長度均等的小段，然后按照熱電偶的結(jié)構(gòu)用點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行焊接，除測溫結(jié)點(diǎn)外的銅絲與康銅絲的接觸點(diǎn)使用膠帶進(jìn)行絕緣，以防止銅絲和康銅絲發(fā)生短路。在

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]柔性電子系統(tǒng)及其力學(xué)性能[J]. 許巍,盧天健.  力學(xué)進(jìn)展. 2008(02)



本文編號：3250710