力声融合柔性压力传感器的制备及应用研究

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随着现代科学技术和经济的快速发展,人们的生活质量水平不断提高,使得人们对自身健康和安全逐渐有了更多的关注。在健康监测方面,虽然具有健康监测功能的可穿戴设备已经得到商用,但是其使用的传感器大多数为刚性材料,从而导致较差的佩戴舒适感,以及影响信号的精确获取;而在安全防御方面,很多时候因为不能及时提供预警而导致相关事故的发生,带来经济的损失甚至危害人体的安全。因此,用于监测人体健康和活动的柔性可穿戴传感器得到越来越多学者的研究关注。其中,柔性压力传感器在电子皮肤等领域中具有重要的应用价值。而为了实现自预警功能,一般都是通过引入外部刚性模块实现,会造成信息的滞后而无法及时预警。基于力声融合的柔性压力传感器,不仅有望实现高的灵敏度和较宽的压力检测范围,还能基于其自身的热声效应提供发声信号,从而达到预警的目的。本文主要是研究了基于海绵多孔结构的柔性电容式压力传感器和柔性电阻式压力传感器,并研究了后者的声学性能。在此基础上,提出了力声融合应用方案,为器件的多功能应用提供新的指导思路。本文的具体内容如下:(1)研究了基于三聚氰胺海绵多孔结构的柔性电容式压力传感器。该电容式压力传感器为平行板电容器,使用具有多孔结构的激光诱导石墨烯作为上下导电极板,再以三聚氰胺海绵为中间介质。利用力学测试系统对传感器的力学性能进行测试,实验结果表明该传感器的灵敏度可达228.8 k Pa-1。该器件结构简单,制备成本低,而且可以实现较大的压力形变,在人体健康监测和人机交互等方面具有重要的应用前景。(2)研究了基于海绵结构的柔性电阻式压力传感器。制备了基于三聚氰胺海绵和聚氨酯海绵结构,以及以多壁碳纳米管和石墨烯浆料为导电材料的电阻式压力传感器。研究了不同结构和导电材料对压力传感器传感性能的影响。研究结果表明,基于三聚氰胺海绵和多壁碳纳米管构成的压力传感器具有更高的灵敏度,在0-555.6 k Pa的测量范围内,最高灵敏度高达1201.7 k Pa-1,而且具有较快的响应时间(340 ms)和恢复时间(250 ms)。此外,器件具有较好的压力传感稳定性,1000次循环测试后传感器依然可以保持较好稳定性。最后,研究将该传感器用于对人体嘴巴的张合、吞咽以及关节弯曲等行为进行监测。(3)研究了基于三聚氰胺海绵和多壁碳纳米管结构的器件声学性能。基于多孔结构器件的压力传感性能和声学性能,提出力声融合的多功能器件应用。研究了器件在不同输入功率下的声压,研究结果表明输入功率和声压呈现出线性关系。研究了发声器件与麦克风的接收距离关系,根据拟合得到的声压-距离曲线,得出发声器件的声压与距离为反比例关系。最后,提出了基于多孔结构器件的力声融合应用方案,可以利用压力传感器将砝码带来的压力转换为声压,可用于实现过载报警;此外,将器件安装地毯上,可以实现安全监控报警。
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