面向人体运动检测的压阻式柔性压力传感器研究

作     者：Abubakar Ahmad Babangida 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：葛道晗

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：触觉传感器 压阻式 压力传感器 灵敏度 灵活性 

摘      要：柔性可穿戴设备具有易于制造、设计通用性、高灵敏度和出色的灵活性等优点,因此被广泛应用于人机交互、健康监测以及与机器人技术集成等领域,其中压力传感器的性能好坏至关重要。目前,主流方法是采用微纳结构来提高传感器的各项性能,但是,由于微纳结构的结构和制备工艺复杂等问题,并不适合大规模制造。故本文提出利用结构较为简单的多孔或褶皱结构,来创建和改进压力传感器的传感性能。论文的主要研究内容如下:首先,使用一种称为热起皱的方法来开发一种能够检测压力、应变和监测步态的柔性夹层状压力传感器。由于活性材料(石墨烯)和聚合物(PH1000和PDMS)的热膨胀系数不同,所以PH1000在石墨烯/亲水PDMS复合材料上通过快速热退火可制成PEDOT(PSS(PH1000)/石墨烯/亲水PDMS复合材料组成的三明治结构)。经过性能评估,该传感器在0到10 k Pa之间表现出对压缩和拉伸应力的高灵敏度,在压缩载荷下,0到490Pa之间的灵敏度为2.83 k Pa,490 Pa到10 k Pa之间的灵敏度为0.12 k Pa。该传感器在0到147 Pa之间具有能检测到5.04 k Pa的高灵敏度,而且可检测到的最小压力为19 Pa。当承受1500次循环压缩应力时,传感器表现出出色的稳定性。通过250次和1250次循环实验,可以观察到重复性,并且循环载荷在没有滞后的情况下具有一致性。将起皱的压力传感器从0%拉伸到50%,发现在0%到30%和35%到50%之间显示出两个线性灵敏度,分别为3.2和20.1。通过使用传感器来演示步态监测,包括拳头运动强度、膝关节运动和手腕向前弯曲,结果表明:该传感器可以区分生理运动产生的动压和静压,证明了该传感器在健康监测设备和可穿戴电子设备中的巨大潜力。其次,通过用导电聚合物PEDOT(PSS涂覆独立式多孔PDMS),创建了具有微孔的3D高度多孔压阻传感器,该传感器重量轻且可挤压。使用五个循环压缩应力来评估传感器的性能:5%、10%、20%、30%和40%,其平均规范因子分别为2.78、3.38、3.67、3.74和2.96。对于5%到30%的应变水平,传感器显示出相对线性的响应。分析表明,PEDOT传感器对静态和动态压缩应变的响应证明该传感器具有良好的应变系数。通过10,000次循环压缩应力实验评估多孔传感器的稳定性和耐用性,结果表明该传感器在第5,000至5,008次循环时具有可重复的响应。在实际应用中,通过将该传感器放置在机械臂上进行滑动和抓握,对人体运动进行监测,并对结果做了进一步的分析。本文的研究展示了这些可穿戴设备在人机交互、健康监测和机器人设备中的应用,证明了压力传感器在一系列可穿戴设备场景中的广泛适用性。