用于電子皮膚的新型壓力傳感器的研究.pdf

1、信息、生物和新材料被認(rèn)為是21世紀(jì)發(fā)展最快、最熱門的研究領(lǐng)域?，F(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱分別是信息的采集、傳輸和處理技術(shù)，分別對應(yīng)于傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)。傳感器技術(shù)作為信息的源頭技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)和標(biāo)志，己被廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科。近年來，生物力學(xué)和醫(yī)學(xué)工程作為一門新興的交叉學(xué)科，在世界范圍內(nèi)引起了廣泛而深入的研究。電子皮膚正是將傳感器技術(shù)應(yīng)用于生物力學(xué)和醫(yī)學(xué)工程的新興研究熱點(diǎn)。
　　 截肢表面和假肢接口之間的界面應(yīng)力

2、分布以及足底應(yīng)力分布被認(rèn)為是醫(yī)學(xué)工程和生物力學(xué)新的研究內(nèi)容，越來越受到康復(fù)醫(yī)學(xué)、矯形外科、體育訓(xùn)練和制鞋等學(xué)科和行業(yè)的醫(yī)生、科研工作者和運(yùn)動員的重視。為了測量這兩種界面應(yīng)力的分布，本文設(shè)計了用于電子皮膚的新型平板電容壓力傳感器和新型聲表面波壓力傳感器，并基于這兩種傳感器設(shè)計了一種新型電子皮膚，該電子皮膚能夠?qū)崟r測量三維界面應(yīng)力分布和局部點(diǎn)微應(yīng)力的大小。具體研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.基于平板電容提出了一種能夠?qū)崟r測量三維界

3、面應(yīng)力大小的新型壓力傳感器。為了測量三維界面應(yīng)力的大小，設(shè)計了新型平板電容壓力傳感器，該傳感器基于多感應(yīng)電極和PDMS超彈塑性材料，具有體積小、測量范圍大和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。該傳感器能夠同時測量0-220kPa范圍內(nèi)的正壓力和0-70kPa范圍內(nèi)的剪壓力，且最大測量誤差分別為5％和14%。
　　 2.基于聲表面波器件提出了一種能夠?qū)崟r測量微應(yīng)力大小的新型傳感器。由于新型平板電容壓力傳感器的最大測量誤差為5%，對于小于11kPa范圍

4、內(nèi)的壓力無法測量和分辨，為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，設(shè)計了新型聲表面波壓力傳感器，該傳感器基于延遲線結(jié)構(gòu)的聲表面波器件，具有測量精度高、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器能夠精確測量0-20kPa范圍內(nèi)的微壓力，且最大測量誤差為3%。
　　 3.建立了用于電子皮膚的新型壓力傳感器的線性回歸數(shù)學(xué)模型并利用最小二乘法進(jìn)行了求解。當(dāng)新型平板電容壓力傳感器加載正壓力時，其輸入輸出函數(shù)不是線性函數(shù)，所以推導(dǎo)了其加載正壓力時的輸入輸出函數(shù)類型，并建立了其回歸分析

5、模型。由于該模型是非線性函數(shù)，為了便于用最小二乘法求解，對其進(jìn)行了線性化，并使用最小二乘法對線性化后的模型進(jìn)行了求解。當(dāng)新型平板電容壓力傳感器加載剪壓力時，其輸出電容不僅隨著剪壓力的變化而變化，而且隨著正壓力的變化而變化，所以其輸入輸出函數(shù)是多元線性函數(shù)，需建立其輸入輸出函數(shù)的多元線性回歸模型，并利用最小二乘法對該模型進(jìn)行了求解。當(dāng)新型聲表面波壓力傳感器加載微壓力時，其輸入輸出函數(shù)是一元線性函數(shù)，所以只需建立其一元線性回歸模型，并利用最

6、小二乘法求解即可。
　　 4.研究了用于電子皮膚的新型壓力傳感器設(shè)計中存在的關(guān)鍵問題并提出了解決方法。研究了新型平板電容壓力傳感器設(shè)計中存在的關(guān)鍵問題，包括設(shè)計流程、測量范圍的確定、器件大小的確定、中間分隔層材料的選擇、機(jī)械部分的設(shè)計和電極耦合，并提出了解決方法。研究了新型聲表面波壓力傳感器設(shè)計中存在的關(guān)鍵問題，包括襯底材料的選擇及切割、聲表面波器件結(jié)構(gòu)的選擇、聲表面波器件版圖設(shè)計、聲表面波器件懸臂梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、輸入輸出頻率旁瓣

7、的抑制和溫度補(bǔ)償，并提出了解決方案。
　　 5.研究了用于電子皮膚的新型壓力傳感器的制作工藝和方法。新型平板電容壓力傳感器采用失蠟法進(jìn)行制作，具體包括表面制備、底漆的制備、模具的制備、中間分隔層的制備、固化、去除多余的PDMS材料和融化蠟核等工藝。新型聲表面波壓力傳感器采用光刻法進(jìn)行制作，具體包括壓電基片的制備、金屬膜的沉淀、光刻膠的涂覆、曝光、顯影、堅膜、腐蝕和去膠等工藝。
　　 6.研究了電子皮膚用于測量截肢表面和假