基于多孔弹性体介电材料的三维力传感器研究

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电容式柔性压力传感器在健康监测、人机交互、人体姿态检测、智能机器人等领域具有广泛的应用,开发具有高性能的电容式柔性压力传感器成为科研人员的研究热点之一。在弹性介电材料中制备多孔结构可以有效的降低材料的模量、提高传感器的灵敏度,但目前的研究大多集中在一维力作用下此类传感器的性能响应,鲜有对空间三维力作用下的传感器的性能研究。同时,多孔结构随着应力发生形变时,其模量和介电常数同时发生改变,这给电容式三维力传感器的解耦带来挑战。鉴于此,本文开发了一种基于多孔弹性体介电材料的三维力传感器,并针对孔结构特征对传感器的性能影响、三维力解耦、以及在可穿戴器件中的应用进行了深入研究。本文提出的基于多孔弹性体介电材料的三维力传感器采用具有遵循平行板电容器原理,通过对电极的图案化处理,在多孔弹性体上形成四个独立的电容器。在正向力和剪切力的作用下,四个电容器展现出不同的变化趋势,从而实现三维力的检测。本文创新点主要体现在:1)在孔结构设计上,本文开发了具有微米级孔结构的介电层,并针对材料的配比对孔隙率、传感器性能影响进行研究。2)为了进一步提高材料的孔隙率从而有效提升传感器灵敏度,本文采用了独特的多级孔介电层,即在微米孔弹性体中构建毫米级孔,并探究了不同数量和不同形状的毫米级孔的弹性体介电层对三维力传感器的性能影响。3)为了实现基于毫-微米混合级多孔弹性体三维力传感器的精确解耦,本文建立了非线性数学解模型,解决不同维度力(一维力、二维力、三维力)与传感器电容响应之间复杂的非线性关系问题。通过对基于毫-微米混合级多孔弹性体三维力传感器的灵敏度标定,本文发现基于毫-微米混合级多孔弹性体三维力传感器的正向力灵敏度达到0.07N-1,切向力灵敏度达到0.223 N-1,空间三维力的解耦误差低至0.039。最后本文将该传感器应用于足部可穿戴设备中来测量行走时所产生的摩擦力。实验结果表明基于多孔弹性体介电材料的三维力传感器在人体运动检测中具有较大的应用潜力。
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