基于室温液态金属的可穿戴应力传感器研究

摘要

可穿戴设备在人们生活中日益重要，柔性/可拉伸应力传感器作为可穿戴设备对外界环境或人体的检测单元，对于可穿戴设备的发展起着重要的作用。在探测人体体征参数、运动情况时，通常会使用柔性/可拉伸应力传感器测量其中的应力/应变变化。通过固体导电材料与弹性体材料复合而制备的柔性应力传感器，在拉伸的情况下存在较大的回滞现象，很难兼容高拉伸性能和分辨率，而且。液态金属具有良好的导电性、可变形性、低毒性的特点，是作为制备高拉伸性能、低迟滞可拉伸传感器的优选材料。但是由于液态金属的大表面张力，与柔性衬底很难浸润，所以液态金属在柔性衬底上的成型方式复杂繁琐。此外，液态金属基可拉伸传感器的应力响应规律还不清楚；人体穿戴设备的特异性和弯曲运动的多向性难以同步实现。基于以上挑战，本文做了如下工作： （1）利用液态金属对于Cu和塑料基板的不同的浸润性以及液态金属氧化层能够促进液态金属对PDMS的浸润性，发展了一种新型的液态金属转移印刷法。可以通过调节Cu的宽度来控制液态金属的厚度，且液态金属的厚度较为均匀。当液态金属的宽度为150μm时，其厚度为32μm。 （2）利用液态金属转移印刷法制备液态金属基可拉伸应力传感器，在拉伸下测量该传感器的性能。该传感器的灵敏度约为2.3，线性度为0.995，迟滞性为7%@100%。传感器在0~105%的范围内分辨率可以达到0.05%。其响应时间为170ms，可以在8000次循环里保持稳定。最后将该可拉伸传感器应用于手指部位的人机互动控制、膝盖的运动监测等方面的演示，展现出该传感器在人机互动、健康监测、运动监控等方面具有很诱人的应用前景。 （3）利用3D打印技术、非对称的微流道结构设计制备了液态金属基的3D打印弯曲应力传感器。该传感器在向外弯曲和向内弯曲有着相反的变化规律，在弯曲时电阻的相对变化量与弯曲角度正比例关系，向外弯曲时线性度可达0.996。增加微流道平面到中心面的距离有利于提升传感器的灵敏度。该传感器具有很好的重复性和循环能力。最后将传感器应用于测量手腕、脖子等部位的弯曲运动，从而展现了在人体运动监测、人机互动等领域中的巨大潜力。

目录

声明

引言

1绪论

1.1可穿戴电子设备与传感器

1.1.1可穿戴设备

1.1.2可穿戴设备的研究和发展现状

1.1.3传感器在可穿戴设备的作用

1.2可穿戴应力传感器

1.2.1应力/应变传感器的分类

1.2.2弯曲应力/应变传感器的研究和发展现状

1.2.3可拉伸应力/应变传感器的研究与发展现状

1.3液态金属及其性质

1.3.1室温液态金属的组成与性质

1.3.2室温液态金属的图案化

1.4液态金属在应力传感器中的应用

1.4.1液态金属在应力传感器中的研究进展与现状

1.4.2液态金属在应力传感器中存在的问题

1.5本论文的研究内容与意义

2基于液态金属应力传感器的制备与表征

2.1化学试剂

2.2实验设备

2.2.1差示扫描量热仪

2.2.2热转印机

2.2.3 3D 打印机

2.2.4台阶仪

2.2.5扫描电子显微镜

2.2.6能谱分析仪

2.2.7电学测量系统

2.3实验方法

2.3.1转移印刷法

2.3.2 3D 打印光聚合法

2.4本章小结

3基于液态金属的可拉伸应力传感器

3.1引言

3.2室温液态金属的制备及表征

3.2.1室温液态金属的制备

3.2.2室温液态金属的表征

3.3弹性衬底上液态金属薄膜的制备研究

3.3.1弹性衬底上液态金属薄膜的制备流程

3.3.2弹性衬底上液态金属厚度的控制研究

3.4液态金属可拉伸传感器的制备研究

3.4.1液态金属可拉伸传感器的结构选择

3.4.2液态金属基可拉伸传感器的传感机理

3.5液态金属可拉伸传感器的性能及应用研究

3.5.1液态金属可拉伸传感器的灵敏度和线性度测试

3.5.2液态金属基可拉伸传感器的统一性和迟滞性测试

3.5.3液态金属可拉伸应力传感器的重复性测试

3.5.4液态金属可拉伸应力传感器的应力松弛测试

3.5.5液态金属可拉伸应力传感器的分辨率测试

3.5.6液态金属可拉伸应力传感器的响应时间测试

3.5.7液态金属基可拉伸应力传感器的疲劳性测试

3.5.8液态金属基可拉伸应力传感器的应用研究

3.6本章小结

4基于室温液态金属的3D打印弯曲应力传感器的研究

4.1引言

4.2基于液态金属的3D打印弯曲应力传感器

4.2.1材料选择及打印

4.2.2结构设计

4.2.3液态金属基3D 打印弯曲应力传感器的制备研究

4.2.4基于液态金属3D打印弯曲应力传感器的传感机理

4.3基于液态金属3D打印弯曲应力传感器的性能研究

4.3.1基于液态金属3D打印弯曲应力传感器的性能研究

4.3.2基于液态金属的3D打印应力传感器的应用研究

4.4本章小结

5总结与展望

5.1论文总结

5.2论文展望

参考文献

在学研究成果

致谢