【摘 要】
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柔性传感器能够敏感、精确、连续的测量人体生理信号,可广泛应用于可穿戴电子设备、人体生理信号监测、健康监测和疾病的早期预防方面等领域。本文利用高精度3D打印工艺制作了一种柔性压力传感器,并基于柔性压力传感器制作了手势识别手套和脉搏腕带,用于运动过程中人体手势识别和桡动脉脉搏监测。主要研究内容如下:本文通过在微通道内壁设计微凸起的方法,减小微通道初始横截面积。根据平板变极距型电容式传感器传感原理,推算
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柔性传感器能够敏感、精确、连续的测量人体生理信号,可广泛应用于可穿戴电子设备、人体生理信号监测、健康监测和疾病的早期预防方面等领域。本文利用高精度3D打印工艺制作了一种柔性压力传感器,并基于柔性压力传感器制作了手势识别手套和脉搏腕带,用于运动过程中人体手势识别和桡动脉脉搏监测。主要研究内容如下:本文通过在微通道内壁设计微凸起的方法,减小微通道初始横截面积。根据平板变极距型电容式传感器传感原理,推算出减小微通道初始横截面积可以提高微凸起通道的柔性压力传感器的灵敏度。同时,通过COMSOL多物理场有限元软件对微通道不同位置进行仿真模拟,结果显示内壁设计微凸起,增大了载荷从表面传递到微通道的比率,与理论分析结果一致。随后,利用COMSOL进行微通道电阻仿真,结果显示内壁设计微凸起的电阻变化率比内壁无微凸起的电阻变化率高,而且随着压力的增加,差值也同样增大。为了验证理论分析和仿真模拟结果,利用高精度3D打印工艺制作微通道高度为400μm和微凸起高度分别为0、300μm的柔性基底层,利用光刻工艺制作微通道高度为80μm和微凸起高度为80μm的柔性基底层。利用制作完成的柔性基底层制备四种不同微通道和微凸起尺寸的传感器。随后,测试对比四种不同尺寸的传感器压缩应力—电阻变化率曲线图,测试结果显示,微通道高度为80μm,内壁无微凸起的传感器灵敏度得到提高,但是测量范围大大下降,而且制作过程需要利用昂贵、耗时和复杂的光刻工艺;而微通道高度为400μm,微凸起高度为300μm可以在不减小传感器测量范围的前提下提高传感器的灵敏度,而且制作模具采用了高精度3D打印,避免了光刻工艺昂贵耗时的缺点。将电子万能材料试验机、数字源表和计算机连接完成传感器测试平台的搭建,随后对微通道高度为400μm,内壁有无凸起(0和300μm)的传感器进行了压缩和折叠测试。内壁增加微凸起的传感器,在相同压缩应力下,比无微凸起的传感器灵敏度提高6倍,在相同的折叠角度下,灵敏度提高了1倍。传感器的迟滞性、响应时间和循环测试都表现出良好的信号响应。然后利用NI USB-6002数据采集卡和NI Labview上位机软件完成传感器电阻与电压之间的信号转换,实现传感器信号的可视化。基于柔性压力传感器分别制作了手势识别手套和脉搏腕带,通过将手势识别手套和脉搏腕带对被测试者进行测试,测试结果显示,基于柔性压力传感器所制作的手套和腕带都表现出良好的信号响应。
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