【摘 要】
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柔性可穿戴电子因其轻薄便携、集成度高等特点而受到人们的喜爱。为了模拟人类触觉,研究人员将触觉传感器与柔性可穿戴电子集成,提出一种“贴在”皮肤上的可穿戴式触觉传感器。在设计可穿戴式触觉传感系统时,为了让柔性触觉传感器与外围电路高度集成,不仅要实现器件柔性化,还要实现外围电路柔性化,除此之外,还应考虑可穿戴系统的佩戴舒适性问题。本文主要对触觉传感及其可穿戴集成技术进行研究。主要研究内容包括:(1)对具
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柔性可穿戴电子因其轻薄便携、集成度高等特点而受到人们的喜爱。为了模拟人类触觉,研究人员将触觉传感器与柔性可穿戴电子集成,提出一种“贴在”皮肤上的可穿戴式触觉传感器。在设计可穿戴式触觉传感系统时,为了让柔性触觉传感器与外围电路高度集成,不仅要实现器件柔性化,还要实现外围电路柔性化,除此之外,还应考虑可穿戴系统的佩戴舒适性问题。本文主要对触觉传感及其可穿戴集成技术进行研究。主要研究内容包括:(1)对具有触觉凸台的三轴触觉传感器进行了灵敏度误差分析。用有限元法分析了在触觉凸台侧壁不同位置施加剪切力对传感器灵敏度的影响。结果表明,在触觉凸台侧壁越靠近上电极层隔膜的位置施加剪切力,传感器在剪切方向上的灵敏度越低。此外,还分析了由于工艺误差所引起的触觉凸台结构形状偏差导致的传感器误差,结果表明触觉凸台结构偏差角度越大,主轴灵敏度越低,交叉耦合越严重。(2)设计了一种高灵敏度的电容式柔性触觉传感阵列。提出了一种具有开口沟槽结构的中间隔离层,具有开口沟槽结构的传感器可以有效提升传感器的灵敏度。对所提出结构的可行性进行了仿真验证。结果表明,在同样的压力下,开口沟槽结构的传感器电容间距变化是非开口沟槽结构的10倍,增大了电容变化,提升了传感器的灵敏度。经过仿真及matlab计算,传感器的灵敏度为18.97%/m N,非线性为2%。(3)基于皮肤舒适性研究了多层可延展柔性电路中过孔的大小及蛇形互连线与过孔的连接角度。结果表明,过孔半径在400μm以内,满足人体上大多数位置的皮肤(皮肤应变在15%以内)的舒适性要求;互连线与过孔的连接角度为锐角时,会降低过孔正下方皮肤上的舒适性,当连接角度在120°-180°之间时,可以改善皮肤舒适性。(4)分析了多层可延展柔性电路中过孔的布局对皮肤舒适性的影响。通过比较过孔分散和过孔集中两种布局的皮肤舒适性,发现过孔集中布局可以降低可延展柔性系统对皮肤的机械约束。此外,将与皮肤相贴的柔性衬底换成具有更低杨氏模量的Silbione,能有效的增强皮肤舒适性。
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