柔性壓力傳感器可以在自身變形的情況下保持其壓力感測(cè)能力,這在電子皮膚、人機(jī)界面以及醫(yī)學(xué)診斷和治療等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前柔性壓力傳感機(jī)制主要有電阻式、電容式、摩擦電式、壓電式和離電式等類型。相比于傳統(tǒng)的電阻式、電容式、摩擦電式和壓電式傳感器,離電式壓力傳感作為一種新興的傳感機(jī)制,具有靈敏度高、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量噪音低、可檢測(cè)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)壓力、線性度高等優(yōu)點(diǎn),具有解決當(dāng)前柔性壓力傳感存在問(wèn)題的潛力。為此,本論文采用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式,開展了離電柔性壓力傳感技術(shù)及其應(yīng)用的研究。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)紙基離電壓力傳感器的制備技術(shù)及性能表征研究。提出了紙漿造紙法和手寫法兩種制備離電壓力傳感紙的工藝,并對(duì)它們進(jìn)行了比較。離電壓力傳感紙可以僅通過(guò)紙張?zhí)囟ǖ牟僮?例如打印、切割、折疊和膠合)以二維平面或三維折紙的形式構(gòu)造紙基離電壓力傳感器。特別地,紙基離電壓力傳感器的靈敏度可以高達(dá)10 nF/kPa/cm2,至少是當(dāng)前電容式傳感器的數(shù)千倍,具有單帕斯卡的壓強(qiáng)分辨率,單毫秒的快速機(jī)械響應(yīng)時(shí)間以及較高的響應(yīng)線性度(R20.996)。(2)紙基離電壓力傳感器的傳感機(jī)理及應(yīng)用研究。基于纖維集合體經(jīng)典壓縮理論,建立了紙基離電壓力傳感器傳感理論模型,推導(dǎo)并驗(yàn)證了此模型能合理解釋紙基離電壓力傳感器壓強(qiáng)-電容特性。進(jìn)而設(shè)計(jì)了離電壓力傳感特性優(yōu)異的柔性壓力傳感器,以紙張本身的可折疊、可印刷及可剪切等特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了紙基離電壓力傳感器在醫(yī)療可穿戴、人機(jī)界面以及定制壓力感測(cè)設(shè)備等方面的應(yīng)用。(3)離電壓力傳感橡膠材料的制備、性能表征及其在電子皮膚中的應(yīng)用研究。將柔性離電傳感機(jī)制引入到柔彈性的硅橡膠材料中,研發(fā)出具有離電壓力傳感特性的固態(tài)離電壓力傳感橡膠材料。對(duì)離電壓力傳感橡膠材料的制備及其電學(xué)和力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。制備了基于離電壓力傳感橡膠的單點(diǎn)壓力傳感器和壓力傳感陣列,展示了離電壓力傳感橡膠在電子皮膚領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。開發(fā)的電子皮膚樣品具有高于人手觸覺的空間分辨率、具備識(shí)別物體的形狀及尺寸,能識(shí)別出直徑80微米的頭發(fā)絲,也能通過(guò)動(dòng)態(tài)滑動(dòng)的方式識(shí)別盲文的優(yōu)異觸覺傳感功能�；谝陨涎芯�?jī)?nèi)容,本論文的創(chuàng)新之處是對(duì)離電柔性壓力傳感技術(shù)的工作原理進(jìn)行了深入的研究,提出了兩種新型的離電壓力傳感功能材料——離電壓力傳感紙和離電壓力傳感橡膠。借助紙纖維極高的楊氏模量及多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),紙基離電壓力傳感器表現(xiàn)出了極高的器件靈敏度、較低的壓強(qiáng)檢測(cè)閾值、快速的機(jī)械響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間及極高的響應(yīng)線性度。此外,建立了紙基離電壓力傳感器的壓力傳感模型,推導(dǎo)并驗(yàn)證了傳感器的壓強(qiáng)-電容行為。離電壓力傳感紙?jiān)趹?yīng)用上的主要?jiǎng)?chuàng)新是將所有功能材料構(gòu)建在單層平面紙質(zhì)基材上,特定的折疊和切割程序?qū)⑹乖O(shè)備架構(gòu)能夠構(gòu)建為二維平面或三維立體形式。在這樣的方案中,我們可以僅依靠紙張的特定操作來(lái)構(gòu)建整個(gè)功能設(shè)備,這樣既方便又低成本,同時(shí)仍然保持了設(shè)備的高靈敏度。離電壓力傳感橡膠是首次提出的一種用于離電壓力傳感的固態(tài)復(fù)合材料,相比于之前的離電壓力傳感材料來(lái)說(shuō)擁有更好的力學(xué)性能。此外,離電壓力傳感橡膠材料優(yōu)異的傳感性能也被得到了驗(yàn)證并將其應(yīng)用于電子皮膚中,展現(xiàn)了優(yōu)異的觸覺識(shí)別能力。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TP212
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 柔性壓力傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
        1.1.1 柔性壓力傳感技術(shù)的概念及應(yīng)用
        1.1.2 柔性壓力傳感器的工作原理
        1.1.3 柔性壓力傳感器的材料及制備工藝
    1.2 離電柔性壓力傳感技術(shù)
        1.2.1 基于雙電層理論的離電柔性壓力傳感機(jī)理
        1.2.2 離子液體
        1.2.3 用于離電柔性壓力傳感的離電壓力傳感材料
        1.2.4 離電柔性壓力傳感技術(shù)存在的問(wèn)題
    1.3 離電柔性壓力傳感技術(shù)研究目的和意義
    1.4 論文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)
第2章 紙基離電壓力傳感理論模型
    2.1 纖維集合體經(jīng)典壓縮行為模型
    2.2 紙基離電壓力傳感器傳感理論模型
    2.3 紙基離電壓力傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)的影響因素分析
第3章 紙基離電壓力傳感器的制備與性能表征
    3.1 柔性壓力傳感紙概述
    3.2 離電壓力傳感紙的制備技術(shù)研究
        3.2.1 紙漿造紙式離電壓力傳感紙的制備
        3.2.2 手寫式離電壓力傳感紙的制備
    3.3 紙基離電壓力傳感器的制備技術(shù)研究
        3.3.1 紙漿造紙式紙基離電壓力傳感器的制備
        3.3.2 手寫式紙基離電壓力傳感器的制備
    3.4 離電壓力傳感器測(cè)試平臺(tái)的搭建
        3.4.1 單位面積電容（UAC）測(cè)試平臺(tái)
        3.4.2 壓強(qiáng)-電容特性測(cè)試平臺(tái)
        3.4.3 傳感器響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間及重復(fù)性測(cè)試平臺(tái)
    3.5 紙基離電壓力傳感器性能表征
        3.5.1 離電壓力傳感紙單位面積電容
        3.5.2 紙基離電壓力傳感器的靈敏度
        3.5.3 紙漿造紙式紙基離電壓力傳感器靈敏度影響因素分析
        3.5.4 手寫式紙基離電壓力傳感器靈敏度影響因素分析
        3.5.5 三明治結(jié)構(gòu)和叉指結(jié)構(gòu)的紙基離電壓力傳感器對(duì)比
        3.5.6 紙基離電壓力傳感器的壓強(qiáng)感測(cè)范圍及線性度
        3.5.7 紙基離電壓力傳感器的彎曲穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性
        3.5.8 紙基離電壓力傳感器的可重復(fù)性和響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間
        3.5.9 紙基離電壓力傳感器的最小壓強(qiáng)分辨率
    3.6 本章小結(jié)
第4章 紙基離電壓力傳感器的應(yīng)用研究
    4.1 紙基離電壓力傳感器的應(yīng)用概述
    4.2 紙基離電壓力傳感器在醫(yī)療可穿戴的應(yīng)用
        4.2.1 用于脈搏波監(jiān)測(cè)的離電壓力折紙手環(huán)
        4.2.2 具有重量檢測(cè)的智能藥盒
    4.3 紙基離電壓力傳感器在人機(jī)界面的應(yīng)用
        4.3.1 具有高低音量控制的折紙鋼琴
        4.3.2 16×16離電壓力傳感陣列
        4.3.3 用于STEM教育的壓力傳感千紙鶴
    4.4 紙基離電壓力傳感器在定制壓力感測(cè)設(shè)備的應(yīng)用
        4.4.1 折紙測(cè)力計(jì)
        4.4.2 能區(qū)分材質(zhì)軟硬程度的折紙夾鉗
    4.5 本章小結(jié)
第5章 離電壓力傳感橡膠材料的實(shí)驗(yàn)研究
    5.1 橡膠材料在離電壓力傳感中的必要性及可行性分析
    5.2 離電壓力傳感橡膠材料的制備技術(shù)研究
    5.3 離電壓力傳感橡膠材料的性能表征研究
        5.3.1 氣相二氧化硅的“逾滲閾值
        5.3.2 離電壓力傳感橡膠單位面積電容及其影響因素分析
        5.3.3 離電壓力傳感橡膠楊氏模量
    5.4 橡膠離電壓力傳感器性能表征研究
    5.5 本章小結(jié)
第6章 離電壓力傳感橡膠材料的應(yīng)用研究——電子皮膚
    6.1 電子皮膚概述
    6.2 基于離電壓力傳感橡膠材料的電子皮膚傳感系統(tǒng)
        6.2.1 柔性電路板（FPC）電極設(shè)計(jì)
        6.2.2 柔性電路板（FPC）電極防串?dāng)_設(shè)計(jì)
        6.2.3 電子皮膚傳感系統(tǒng)測(cè)試采集電路及軟件
    6.3 基于離電壓力傳感橡膠材料的電子皮膚性能測(cè)試及應(yīng)用
        6.3.1 電子皮膚觸覺空間分辨率測(cè)試
        6.3.2 電子皮膚靜態(tài)識(shí)別形狀能力
        6.3.3 電子皮膚靜態(tài)識(shí)別頭發(fā)絲
        6.3.4 電子皮膚盲文識(shí)別實(shí)驗(yàn)
    6.4 本章小結(jié)
第7章 總結(jié)與展望
    7.1 總結(jié)
        7.1.1 本論文的主要工作
        7.1.2 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
    7.2 展望
        7.2.1 用于離電壓力傳感的新型離電壓力傳感材料的開發(fā)
        7.2.2 離電壓力傳感橡膠在三維力觸覺電子皮膚的潛在應(yīng)用
參考文獻(xiàn)
致謝
在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果

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本文編號(hào)：2893387