三维柔性应变传感器的制备与性能研究

作     者：许利强 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鹿业波;胡旭晓

授予年度：2023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：柔性应变传感器 Ecoflex 石墨烯 三维结构 三维变形检测 

摘      要：柔性应变传感器作为柔性电子领域热门研究方向之一,具有轻薄、便携和可变形等特点,在电子皮肤和智能可穿戴设备等领域具有巨大的应用前景。目前柔性应变传感器的研究主要聚焦在一维和二维平面的拉伸与弯曲变形检测,这不能实现三维结构器件的膨胀变形检测。而现有的三维柔性应变传感器研究主要用于实现压力检测。目前三维柔性应变传感器研究主要存在的问题包括:缺乏完整的三维柔性应变传感器结构设计和制备工艺,尚未建立三维结构柔性应变传感器检测流程,同时三维结构柔性应变传感器的检测精度和性能有待提升。本论文将针对三维柔性应变传感器的结构设计、制备流程、检测方法、性能提升和应用等方面展开研究。本文研究聚焦于三维结构变形检测为研究对象,分别从三维结构传感器的制备材料、三维结构设计与检测应用展开研究。首先研究了聚二甲基硅氧烷(PDMS)与石墨烯和铂金固化硅胶(Ecoflex)与石墨烯材料在不同混合比例条件下制备出的导电复合材料电阻率与拉伸应变极限,选择出性能较好的Ecoflex与石墨烯导电复合材料作为制备三维柔性应变传感器的材料。通过设计出实心直线形结构、四边形网格结构和六边形网格结构柔性应变传感器,并对三种结构柔性应变传感器的弹性模量、拉伸断裂极限所承受的载荷和灵敏度进行研究,证明了Ecoflex与石墨烯导电复合材料在制备三维结构柔性应变传感器中的可行性。同时,对六边形网格结构柔性应变传感器进行响应时间、疲劳寿命分析、呼吸检测与手肘弯曲检测实验,进一步证明了Ecoflex与石墨烯导电复合材料在制备三维柔性应变传感器中的可行性。其次,本文基于Ecoflex与石墨烯导电复合材料制备三维柔性应变传感器中的可行性,提出了一种反向模具模型设计的方法,完成帽子结构、正方体结构、圆柱结构、正四面体结构和渔网式结构柔性应变传感器的方案。并完成了帽子结构三维柔性应变传感器的制备与正方体结构三维柔性应变传感器的制备。基于帽子结构三维柔性应变传感器结构形状,提出了帽子结构传感器电阻检测算法与应用。最后,研究了帽子结构三维柔性应变传感器数字化检测与精准检测。对于帽子结构三维柔性应变传感器的结构模型提出了一种电阻检测算法,通过对帽子结构传感器的电路分析,推导出了传感器两端点间整体电阻与传感器六条边电阻计算公式,同时在应变为0%-30%的条件下,对传感器两端点间整体电阻和传感器六条边电阻与应变的关系进行了理论与实验分析。结果表明:随着应变量不断增加,传感器的电阻也在逐渐增大,且具有良好的线性关系。此外,建立了传感器长边和短边电阻变化率与应变的线性标定方程。通过该标定方程实现了金桔果实生长变形量的数字化检测与精准检测。此外,对三维柔性应变传感器进行了扩展研究,首先完成了正方体结构三维柔性应变传感器的制备及应用,研究分析了该传感器在不同体积膨胀条件下传感器灵敏度特性,结果表明在不同体积膨胀条件下电阻变化率与体积应变之间成线性关系。其次,研究了高低温环境对传感器电阻改变的影响,结果表明,低温环境对传感器电阻变化几乎没有影响,随着温度逐渐升高并高于室温后,环境温度对传感器电阻影响较大。本文基于Ecoflex与石墨烯导电复合材料完成了帽子结构三维柔性应变传感器制备,并对该传感器提出了一种电阻数字化检测与精准检测算法,实现了传感器在三维器件变形中的检测与应用。