用于电子皮肤的新型压力传感器的研究

摘要

信息、生物和新材料被认为是21世纪发展最快、最热门的研究领域。现代信息技术的三大支柱分别是信息的采集、传输和处理技术，分别对应于传感器技术、通讯技术和计算机技术。传感器技术作为信息的源头技术是现代科学发展的基础和标志，己被广泛应用于各个学科。近年来，生物力学和医学工程作为一门新兴的交叉学科，在世界范围内引起了广泛而深入的研究。电子皮肤正是将传感器技术应用于生物力学和医学工程的新兴研究热点。
　　 截肢表面和假肢接口之间的界面应力分布以及足底应力分布被认为是医学工程和生物力学新的研究内容，越来越受到康复医学、矫形外科、体育训练和制鞋等学科和行业的医生、科研工作者和运动员的重视。为了测量这两种界面应力的分布，本文设计了用于电子皮肤的新型平板电容压力传感器和新型声表面波压力传感器，并基于这两种传感器设计了一种新型电子皮肤，该电子皮肤能够实时测量三维界面应力分布和局部点微应力的大小。具体研究内容和创新点如下：
　　 1.基于平板电容提出了一种能够实时测量三维界面应力大小的新型压力传感器。为了测量三维界面应力的大小，设计了新型平板电容压力传感器，该传感器基于多感应电极和PDMS超弹塑性材料，具有体积小、测量范围大和灵敏度高的优点。该传感器能够同时测量0-220kPa范围内的正压力和0-70kPa范围内的剪压力，且最大测量误差分别为5％和14%。
　　 2.基于声表面波器件提出了一种能够实时测量微应力大小的新型传感器。由于新型平板电容压力传感器的最大测量误差为5%，对于小于11kPa范围内的压力无法测量和分辨，为了弥补这一缺点，设计了新型声表面波压力传感器，该传感器基于延迟线结构的声表面波器件，具有测量精度高、抗干扰等优点。该传感器能够精确测量0-20kPa范围内的微压力，且最大测量误差为3%。
　　 3.建立了用于电子皮肤的新型压力传感器的线性回归数学模型并利用最小二乘法进行了求解。当新型平板电容压力传感器加载正压力时，其输入输出函数不是线性函数，所以推导了其加载正压力时的输入输出函数类型，并建立了其回归分析模型。由于该模型是非线性函数，为了便于用最小二乘法求解，对其进行了线性化，并使用最小二乘法对线性化后的模型进行了求解。当新型平板电容压力传感器加载剪压力时，其输出电容不仅随着剪压力的变化而变化，而且随着正压力的变化而变化，所以其输入输出函数是多元线性函数，需建立其输入输出函数的多元线性回归模型，并利用最小二乘法对该模型进行了求解。当新型声表面波压力传感器加载微压力时，其输入输出函数是一元线性函数，所以只需建立其一元线性回归模型，并利用最小二乘法求解即可。
　　 4.研究了用于电子皮肤的新型压力传感器设计中存在的关键问题并提出了解决方法。研究了新型平板电容压力传感器设计中存在的关键问题，包括设计流程、测量范围的确定、器件大小的确定、中间分隔层材料的选择、机械部分的设计和电极耦合，并提出了解决方法。研究了新型声表面波压力传感器设计中存在的关键问题，包括衬底材料的选择及切割、声表面波器件结构的选择、声表面波器件版图设计、声表面波器件悬臂梁结构的设计、输入输出频率旁瓣的抑制和温度补偿，并提出了解决方案。
　　 5.研究了用于电子皮肤的新型压力传感器的制作工艺和方法。新型平板电容压力传感器采用失蜡法进行制作，具体包括表面制备、底漆的制备、模具的制备、中间分隔层的制备、固化、去除多余的PDMS材料和融化蜡核等工艺。新型声表面波压力传感器采用光刻法进行制作，具体包括压电基片的制备、金属膜的沉淀、光刻胶的涂覆、曝光、显影、坚膜、腐蚀和去胶等工艺。
　　 6.研究了电子皮肤用于测量截肢表面和假肢接口之间的界面应力分布和用于测量足底界面应力分布。研究了新型压力传感器形成阵列制作成电子皮肤，利用电子皮肤测量截肢表面与假肢接口之间的界面应力分布，利用电子皮肤制作智能鞋垫用于测量足底界面应力分布。此外还研究了新型声表面波压力传感器用于测量纱线张力的应用。