基于摩擦纳米发电机的柔性可穿戴多功能压力传感器

摘要

随着社会的日益进步，医疗水平不断提高，互联网技术快速发展，健康和信息安全成为人们最为关注的焦点。目前医疗资源的短缺和屡见不鲜的个人信息泄露事件，越来越成为人们的心头之患。在健康方面，社会老龄化进一步加剧，各类慢性疾病的数量逐年增长，人们越来越意识到医院治疗已不能满足自身健康的需求，日常生活中更需要仪器设备实现自身健康状态长期持续的监测。在信息安全方面，虽然人们采用密码、U盾及密保等方式保护个人信息，但个人信息依旧被窃取，泄漏在互联网等媒介之上。如果日常生活中对人们的健康状态进行持续监测，并使用一种独一无二的身份识别方式，将大大减少各类慢性疾病的数量及个人信息泄露的问题。目前部分可穿戴设备可用于人体生理信号的测量，实现对人体健康状态的检测。每个人的生物特征是独一无二的，将生物特征用于身份识别，信息将很难被窃取。但是目前存在的可穿戴设备无法实现健康状态监测和身份识别双重功能。为此，本文做了以下研究：
　　①本文研究了基于摩擦纳米发电机的柔性可穿戴多功能压力传感器。该传感器以人耳鼓膜结构进行仿生，结合单电极式摩擦纳米发电机工作模式，采用PTFE薄膜、Nylon薄膜、ITO薄膜以及PET衬底制作而成。结合薄膜的振动特性从理论上分析了传感器的振动模态，采用单电极摩擦纳米发电机的工作原理分析传感器的电学输出特性，采用COMSOL Multiphysics对传感器的振动特性和开路电压进行了仿真，验证了设计的传感器具有较宽的工作频带范围，高低频特性较好。
　　②对传感器测得信号中的噪声进行了分析及处理。对传感器输出信号中的工频干扰、肌电漂移、运动伪迹和基线漂移噪声进行处理。采用模拟滤波和数字滤波相结合的方式，对传感器输出信号进行处理。结合传感器输出信号频谱中信号频率分布，采用10Hz Butterworth低通滤波器和45Hz~1500Hz Butterworth带通滤波器对测量的信号进行了分解，分别得到脉搏波信号和喉咙声信号。采用欧氏距离度量不同脉搏波之间的差别，采用相关系数度量不同喉咙声信号之间的差别，发展出脉搏波和喉咙声双生物特征识别技术。
　　③制作了柔性传感器，开发了用于人体健康状态监测和生物特征身份识别于一体的多功能柔性传感系统。经过测试，传感器具有较高的灵敏度和较宽的动态范围，当外界压力 F<0.92N时，传感器灵敏度为52.5V/N，低压检测极限低至0.010N，可以测量0.1Hz到3.9kHz振动频率范围内的压力变化。经过验证，传感器可实现基于脉搏波的自供能健康状态持续监测；传感器可以用作抗干扰喉咙麦克风，即使在嘈杂的环境中也可实现喉咙声信号的采集和恢复；采用单个传感器实现了基于脉搏波和喉咙声信号的双模式生物特征身份识别，可靠性高，在100个检测样本测试条件下，错误拒绝率为1%，错误接受率为3%，准确率可达98%。采用单个传感器可实现健康状态监测、喉咙声信号恢复、双模式生物特征身份识别多重功能。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 摩擦纳米发电机研究现状

1.3 柔性传感器研究现状

1.4 本文的主要研究内容

2 基于摩擦纳米发电机的柔性传感器设计

2.1 引言

2.2 柔性传感器的设计及工作原理

2.3 柔性传感器振动模态分析

2.4 柔性传感器的电学特性分析

2.5 小结

3 柔性传感器信号处理及分析

3.1 引言

3.2 传感信号中的噪声分析

3.3 传感信号的噪声抑制

3.4 喉咙声信号恢复

3.5 人体健康状态监测

3.6 生物特征身份识别技术

3.7 BMS柔性传感系统

3.8 小结

4 脉搏波和喉咙声测试及分析

4.1 引言

4.2 BMS柔性传感器的制作

4.3 柔性传感器电学特性实验测试系统

4.4 柔性传感器电学输出特性的测试

4.5 人体脉搏波信号的测试

4.6 基于脉搏波的人体健康状态监测

4.7 喉咙声信号的采集与恢复

4.8 小结

5 基于脉搏波和喉咙声的生物特征身份识别应用

5.1 引言

5.2 基于脉搏波的生物特征身份识别

5.3 基于喉咙声的生物特征身份识别

5.4 双生物特征身份识别

5.5 小结

6 总结及展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士学位期间参与发表的论文

B.作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目