【摘要】：加速度傳感器是生產(chǎn)、生活中廣泛使用的一種測(cè)量加速力大小的電子器件。一般由慣性質(zhì)量塊、阻尼元件、彈性元件、敏感元件和調(diào)試電路組成。在加速運(yùn)動(dòng)過程中,傳感器對(duì)質(zhì)量塊所受到的慣性力進(jìn)行測(cè)量,后根據(jù)牛頓第二定律獲得加速度值。在生物醫(yī)療領(lǐng)域,加速度傳感器可用于手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)、心肺復(fù)蘇設(shè)備、殘疾病人康復(fù)治療等。受人耳前庭系統(tǒng)中橢圓囊/球囊檢測(cè)線性加速度運(yùn)動(dòng)信號(hào)機(jī)制的啟發(fā),本課題設(shè)計(jì)了適用于檢測(cè)人體微弱、低頻運(yùn)動(dòng)信號(hào)的離子液體加速度傳感器。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、檢測(cè)原理及性能表征四個(gè)方面進(jìn)行了研究。使用性能良好的綠色電解液,室溫離子液體(Room temperature ionic liquids,ILs)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電解質(zhì)溶液,作為液態(tài)慣性質(zhì)量塊,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為基底及封裝材料,物理化學(xué)性能穩(wěn)定且具有大比表面積的活性炭紙為檢測(cè)電極,制備出尺寸為2×2×5 mm3的加速度傳感器。建立了離子液體加速度傳感器內(nèi)部微液體運(yùn)動(dòng)模型及固-液界面雙電層(Electrical double layer,EDL)電學(xué)檢測(cè)模型,液體運(yùn)動(dòng)使電解液與電極的接觸面積發(fā)生變化,改變固-液接觸面EDL電容值。使用有限元方法,通過建立3D微液體運(yùn)動(dòng)和1D雙電層兩個(gè)模型驗(yàn)證了液體體積、粘度和固-液接觸角對(duì)液體的運(yùn)動(dòng)延遲和幅度均有影響。固-液界面EDL結(jié)構(gòu)中,根據(jù)電極端施加的直流電壓,陰陽離子濃度和電荷密度呈規(guī)律分布,且隨電壓增大,電極表面的電荷濃度和密度增加。分別制備了單慣性體和多慣性體兩種結(jié)構(gòu)加速度傳感器,當(dāng)外界激勵(lì)頻率f=6.89 Hz,運(yùn)動(dòng)位移x=40 mm時(shí),在未加信號(hào)處理模塊的情況下,單慣性體加速度傳感器靈敏度Sn=0.689 mV/g。在2.5 Hz-11.75 Hz頻率范圍內(nèi),固定ILs加速度傳感器運(yùn)動(dòng)位移x=40 mm時(shí),器件諧振頻率fres=7.13 Hz,此時(shí)輸出信號(hào)Vp-p=10.2 mV,但在測(cè)試過程中,3 dB帶寬為~2.5 Hz,帶寬較窄,限制了傳感器的實(shí)際應(yīng)用。相同運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下,相比單慣性體結(jié)構(gòu),多慣性體傳感器靈敏度Sn=1 mV/g,靈敏度提升了45%。將多慣性體結(jié)構(gòu)傳感器與商用加速度計(jì)ADXL335對(duì)比分析,離子液體加速度傳感器在未進(jìn)行信號(hào)放大的前提下,表現(xiàn)出與商用傳感器一樣的效果,但其輸出信號(hào)的信噪比要低于ADXL335。使用多慣性體結(jié)構(gòu)傳感器能夠清晰識(shí)別出手臂在低頻3.6 Hz、6.2 Hz的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),表明該加速度傳感器有望應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)等低頻、微弱的信號(hào)檢測(cè)中。
[Abstract]:Acceleration sensor is a kind of electronic device which is widely used in production and life to measure acceleration force. Generally consists of inertia mass block, damping element, elastic element, sensitive element and debugging circuit. In the process of acceleration, the sensor measures the inertia force of the mass block, and then obtains the acceleration value according to Newton's second law. In the biomedical field, accelerometers can be used in surgical navigation systems, cardiopulmonary resuscitation equipment, rehabilitation of disabled patients, etc. Inspired by the mechanism of elliptical sac / balloon detection of linear acceleration signal in human ear vestibular system, an ionic liquid acceleration sensor suitable for detecting weak and low frequency motion signals of human body is designed in this paper. The structure design, material selection, testing principle and performance characterization are studied. Using green electrolyte with good performance, room temperature ionic liquid (Room temperature ionic liquids,ILs) instead of traditional electrolyte solution, as liquid inertial mass block, polymethyl methacrylate (PMMA) as substrate and packaging material. An accelerometer with a size of 2 脳 2 脳 5 mm3 was prepared by using activated carbon paper with stable physical and chemical properties and large specific surface area as the detection electrode. The internal microliquid motion model of ionic liquid accelerometer and the electrical detection model of solid-liquid interface double electric layer (Electrical double layer,EDL) were established. The contact area between electrolyte and electrode was changed by liquid movement. The EDL capacitance of solid-liquid interface is changed. By using the finite element method, the effects of liquid volume, viscosity and solid-liquid contact angle on the motion delay and amplitude of the liquid were verified by establishing 3D microliquid motion model and 1D double electric layer model. In the solid-liquid interface EDL structure, according to the DC voltage applied by the electric extreme, the concentration and the charge density of the anion and anion show a regular distribution, and with the increase of the voltage, the charge concentration and density on the electrode surface increase. Two kinds of accelerometers, single inertial body and multiple inertial body, were fabricated respectively. When the external excitation frequency fr 6.89 Hz, moving displacement x 40 mm, without the signal processing module, Single Inertial body acceleration Sensor sensitivity Sn=0.689 mV/g. In the range of 2.5 Hz-11.75 Hz frequency, when the displacement of the ILs accelerometer is fixed x 40 mm, the resonant frequency of the device fres=7.13 Hz, outputs the signal Vp-p=10.2 mV, at this time. But in the testing process, the 3 dB bandwidth is ~ 2.5 Hz,. The narrow bandwidth limits the practical application of the sensor. Under the same motion excitation, the sensitivity Sn=1 mV/g, sensitivity of the multi-inertial body sensor is 45% higher than that of the single inertial body structure. By comparing the multi-inertial structure sensor with the commercial accelerometer ADXL335, the results show that the ionic liquid accelerometer has the same effect as the commercial sensor without signal amplification, but the signal-to-noise ratio of the output signal is lower than that of the ADXL335.. The motion state of the arm at low frequency 3.6 Hz,6.2 Hz can be clearly identified by using the multi-inertial body structure sensor, which indicates that the accelerometer is expected to be used in the detection of low frequency and weak signals such as human motion.
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：R318.6;TP212

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本文編號(hào)：2362993