柔性傳感器因?yàn)闈M足人體功效學(xué)要求而被廣泛應(yīng)用于智能可穿戴電子領(lǐng)域,相對(duì)于傳統(tǒng)的壓阻式、電容式以及壓電式傳感器,柔性的離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)傳感器作為一種特殊的離子壓電材料,具有方向識(shí)別、大形變下性能穩(wěn)定以及無(wú)需外加電源供電等優(yōu)異特性,在智能可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展更具潛能。通常,IPMC傳感器的制備主要基于傳統(tǒng)化學(xué)鍍的方法,在離子聚合物薄膜兩面鍍金屬電極構(gòu)建三明治結(jié)構(gòu)。該工藝能夠保證中間薄膜層與電極層的界面牢度,但是存在耗時(shí),工藝復(fù)雜,成本高,批次性差以及無(wú)法批量化制備等問(wèn)題。我們的工作聚焦于改進(jìn)IPMC柔性傳感器的制備工藝,實(shí)現(xiàn)高性能IPMC柔性傳感器的高效批量化制備。此外,基于該IPMC柔性傳感器構(gòu)建一個(gè)完整的可穿戴電子原型。針對(duì)制備工藝的改進(jìn),我們提出一種類流化床法。具體是通過(guò)在IPMC柔性傳感器的制備過(guò)程中引入定制的模板來(lái)固定離子聚合物中間層,從而保證了電極的還原更加均勻充分,傳感器性能優(yōu)異并且制備的過(guò)程被大大縮短。所制備的IPMC柔性傳感器在測(cè)試中顯示出了極好的靈敏度(2.99mv/1%應(yīng)變)和高穩(wěn)定性(8000次彎曲回復(fù)循環(huán)穩(wěn)定性為98.2%)以及優(yōu)異的線性度。針對(duì)可穿戴電子系統(tǒng)原型的構(gòu)建,我們?cè)O(shè)定了硬件部分(IPMC柔性傳感器、手套、電路、移動(dòng)終端等)和軟件部分(相關(guān)程序)。系統(tǒng)的構(gòu)建包括傳感器、電路板與手套的集成,收集、處理信號(hào)的程序設(shè)計(jì)等。這里,我們成功的構(gòu)建了一個(gè)智能手套可穿戴系統(tǒng),它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱脈搏信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化診脈,對(duì)精密盲文進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別以及對(duì)機(jī)械手進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程操控。本項(xiàng)工作對(duì)高性能IPMC柔性傳感器的高效批量化制備具有實(shí)際戰(zhàn)略意義。對(duì)柔性可穿戴系統(tǒng)在便攜醫(yī)療以及人機(jī)交互領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義和推進(jìn)作用。
【學(xué)位單位】：天津工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212
【部分圖文】：

％??ｖｉ＞??圖１－１常見(jiàn)的各種形式的可穿戴電子設(shè)備??１．１．２柔性傳感器的分類??一種能感知被測(cè)者的信息，并能將所感受到的信息按一定的機(jī)制轉(zhuǎn)換為電學(xué)??信號(hào)或者其它形式信號(hào)輸出的檢測(cè)裝置被稱之為傳感器。這些被感知的信號(hào)可以??是物理信號(hào)、化學(xué)信號(hào)、生物信號(hào)以及環(huán)境的變化等等［３７］。傳感器被視為可穿戴??電子的核心部件之一，對(duì)整個(gè)穿戴電子的功能設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用起著至關(guān)重要的作??用。作為穿戴式電子系統(tǒng)的重要組成部分，要求傳感器應(yīng)該滿足基本的人體工程??學(xué)要求，即應(yīng)具備柔性、質(zhì)輕、電學(xué)性能穩(wěn)定優(yōu)異以及可集成度高等特性。因此，??各種高分子聚合物基的柔性傳感器成了穿戴電子的首選。??總的來(lái)說(shuō)，柔性傳感器可分為物理傳感器［３８Ｍ３］、化學(xué)傳感器￣５°］、離子傳感??器［５１］、生物傳感器以及混合傳感器幾大類。??（１）其中物理傳感器能夠感測(cè)各種物理因素，例如溫度，壓力和應(yīng)變。研??究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了可穿戴的物理傳感器，這些柔性傳感器都具有足夠的柔軔性??和拉伸性從而可以抵抗由人類活動(dòng)引起的變形＆５３］�？纱┐魑锢韨鞲衅鳒y(cè)量的各??種物理參數(shù)可反映人體的一些基本狀況

上述所有種類的柔性傳感器中，目前最受關(guān)注并且研宄較為成熟全面的主要??是柔性力學(xué)傳感器，我們?cè)谙虏糠种饕榻B柔性力學(xué)傳感器的發(fā)展以及應(yīng)用。??１．２柔性力學(xué)傳感器的組成、傳感機(jī)理以及應(yīng)用??力的來(lái)源可產(chǎn)生于重力，物理接觸或者人體移動(dòng)時(shí)的壓力或拉伸應(yīng)力等等。??柔性力學(xué)傳感器可以在這些力的作用下產(chǎn)生信號(hào)并按照一定的規(guī)律輸出。這就使??得在可穿戴電子設(shè)備中，力學(xué)傳感器具有監(jiān)控人體運(yùn)動(dòng)的重要作用，監(jiān)測(cè)范圍從??脈搏的跳動(dòng)，聲帶的振動(dòng)到關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。這些可穿戴電子中的力學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)??和開(kāi)發(fā)是基于柔性的，可拉伸的材料，與以前研宄的硅基力學(xué)傳感器完全不同［６１］。??可穿戴式力學(xué)傳感器的要求包括拉伸性，靈敏度（應(yīng)變系數(shù)），機(jī)械可靠性，遲??滯和線性輸出信號(hào)等［６２］。根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生的原理，可將現(xiàn)有的柔性力學(xué)傳感器大??致分為壓阻式力學(xué)傳感器，電容式力學(xué)傳感器和壓電式力學(xué)傳感器。圖１－３是它??們的響應(yīng)機(jī)理示意圖。??

１．３?ＩＰＭＣ的研究現(xiàn)狀及問(wèn)題??ＩＰＭＣ作為一種新型的智能力學(xué)傳感材料，為低能耗，高精度穿戴電子帶來(lái)??了希望。因?yàn)椋桑校停玫牡湫徒Y(jié)構(gòu)特征是兩電極夾持柔性聚合物薄膜，所以柔性??ＩＰＭＣ力學(xué)傳感器的制備過(guò)程實(shí)際上會(huì)重點(diǎn)涉及和考慮到柔性材料和剛性材料的??復(fù)合問(wèn)題。一般而言，柔性聚合物材料的楊氏模量在幾十分之一到幾百ＭＰａ之??間，而剛性電極材料的楊氏模量則介于十分之幾到幾百ＧＰａ之間Ｍ，兩者之間??存在著較大的楊氏模量差，這就導(dǎo)致ＩＰＭＣ傳感器作為可穿戴電子部件時(shí)，其使??用的過(guò)程中容易出現(xiàn)電極開(kāi)裂、分層以及剝離脫落等情況，影響了?ＩＰＭＣ傳感器??的穩(wěn)定性以及使用壽命。ＩＰＭＣ傳感器中間的柔性聚合物薄膜層與金屬電極層的??良好結(jié)合性由制備過(guò)程決定［９４］。為此，對(duì)ＩＰＭＣ制備方法的探究一直是研究的熱??點(diǎn)。目前，ＩＰＭＣ的制備方法已有很多種，大致分為化學(xué)鍍法和機(jī)械鍍法兩大類。??
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本文編號(hào)：2872582