可伸展传感器应变隔绝特性及导桥构型设计与分析

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可伸展柔性传感器是基于柔性电子技术而提出的一类新型传感器,其结构多采用柔性层合结构和网格布局设计。在柔性层合结构中,PDMS(Polydimethylsiloxane)作为应变隔绝层粘接于有源器件和柔性基体之间,用来减小基体传导至上层敏感器件和互联导桥的应力应变;网格布局设计中则通过可伸缩导桥连接敏感元件来实现结构的柔性。可伸展柔性传感器能够适应多变复杂曲面。同时,可伸展柔性传感器也能够承受多变的外部载荷,如弯曲、扭曲、卷曲、折叠等。本论文研究了可伸展柔性传感器结构的应变隔绝特性;结构中的应力应变分布规律;导桥设计构型等,为其设计提供了理论支持。  建立了可伸展柔性传感器柔性层合结构的力学模型,推导了应力的控制方程。采用微分求积法,求解得到了结构中剪应力的分布曲线,并验证了简化解析解的正确性。改变应变隔绝层的厚度、长度或外部载荷,得到了对应的剪应力结果。  基于剪滞模型提出了一种高阶模型,推导了高阶模型的应力控制方程。并采用有限元法验证了数值结果的准确性。分析结果表明:应变隔绝层上下界面的剪应力几乎不变,正应力则是变化的。  建立了可伸展PVDF(Polyvinylidene Fluoride)柔性传感器的仿真模型,也建立了不具有 PDMS应变隔绝层传感器的仿真模型。分析了两种模型在弯曲、伸缩和扭转载荷条件下,结构中各部件的应力应变分布。分析结果表明,可伸展柔性传感器结构的承载力较大;结构中金电极应力较小;柔性结构满足应变隔绝要求。  设计了不同构型的导桥,建立了导桥的数值模型。有限元分析结果表明:导桥伸缩能力与导桥构型密切相关。
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