基于复合压电效应的柔性应力传感器及人机交互应用研究

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随着智能化时代的到来,小型化、集成化的可穿戴柔性电子产品发挥着重要作用。其中,柔性应力传感器能将机械形变和压力转换为电学信号,同时因其具有轻薄、可弯折扭曲、共性不规则表面等优点,在人体运动检测、人机交互、物联网等领域得到了广泛应用。然而现有的柔性应力传感器存在柔韧性差、灵敏度低,制备工艺复杂等问题,严重阻碍了其在实际生活中的应用。此外,常见的柔性应力传感器需外接电池供能,无法满足其长时间运行的需求,因此柔性应力传感器的可持续供能亟待解决。针对上述问题,本文提出了一种基于压电复合效应的柔性应力传感器(HPFS),并且基于该传感器制备了可完成多种电子设备交互的自驱动智能手套。具体的研究如下:(1)采用高可拉伸性Ecoflex材料作为柔性基体,使用简单方便的机械搅拌和涂敷工艺,将复合压电材料均匀分散在柔性基体中,制备了基于复合压电效应的柔性应力传感器。该传感器可以轻松的弯折、扭曲、挤压,解决了当前柔性应力传感器皮肤共性差和制备工艺复杂的问题。(2)采用一种新型的压电材料聚丙烯腈(PAN),并将其与氧化锌(ZnO)复合,探究了两者复合后压电性能增强机理。由于ZnO和PAN的协同压电效应,与纯ZnO/Ecoflex复合膜相比,基于ZnO/PAN/Ecofelx复合膜的柔性应力传感器的输出电压和电流分别增加了140%和100%,进一步增强了传感器的自驱动能力,规避了传感器外接电源无法持续供能的束缚。此外,所制备的柔性应力传感器在周期压力下也具有优异的灵敏度(42 m V/k Pa)、良好线性度(0.98)、快速响应性(54 ms)和高稳定性(16000次循环下无衰减),可用于人体姿态运动的实时监测。(3)基于该柔性应力传感器优异的电学性能、灵活性、和自驱动特性,提出了一种自驱动智能手套。该手套可以灵活响应人手动作,并且搭建了相应的人机交互系统,完成智能手套信号的采集、处理及控制命令传输。在佩戴自驱动智能手套后,可利用手势的切换远程控制各种电子设备,该智能手套已成功应用于智能汽车二维运动、灯泡亮度和开关控制、风扇开关控制。本研究使用机械搅拌和涂敷工艺,制备了基于ZnO/PAN/Ecoflex复合膜的柔性应力传感器,解决了当前柔性传感器柔韧性差、灵敏度低,制备工艺复杂的问题,提升了柔性应力传感器的电学性能。并且基于该传感器制备了自驱动智能手套,搭建了相应的人机交互系统,完成了多种电子设备的远程交互控制。该系统具有操作简单、携带方便、功耗低等优点,有望为人机交互领域带来新的应用前景。
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