用于電子皮膚的新型壓力傳感器的研究.pdf

1、信息、生物和新材料被認為是21世紀發(fā)展最快、最熱門的研究領域?，F(xiàn)代信息技術的三大支柱分別是信息的采集、傳輸和處理技術，分別對應于傳感器技術、通訊技術和計算機技術。傳感器技術作為信息的源頭技術是現(xiàn)代科學發(fā)展的基礎和標志，己被廣泛應用于各個學科。近年來，生物力學和醫(yī)學工程作為一門新興的交叉學科，在世界范圍內引起了廣泛而深入的研究。電子皮膚正是將傳感器技術應用于生物力學和醫(yī)學工程的新興研究熱點。
　　 截肢表面和假肢接口之間的界面應力

2、分布以及足底應力分布被認為是醫(yī)學工程和生物力學新的研究內容，越來越受到康復醫(yī)學、矯形外科、體育訓練和制鞋等學科和行業(yè)的醫(yī)生、科研工作者和運動員的重視。為了測量這兩種界面應力的分布，本文設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計了一種新型電子皮膚，該電子皮膚能夠實時測量三維界面應力分布和局部點微應力的大小。具體研究內容和創(chuàng)新點如下：
　　 1.基于平板電容提出了一種能夠實時測量三維界

3、面應力大小的新型壓力傳感器。為了測量三維界面應力的大小，設計了新型平板電容壓力傳感器，該傳感器基于多感應電極和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。該傳感器能夠同時測量0-220kPa范圍內的正壓力和0-70kPa范圍內的剪壓力，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實時測量微應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、內的壓力無法測量和分辨，為了彌補這一缺點，設計了新型聲表面波壓力傳感器，該傳感器基于延遲線結構的聲表面波器件，具有測量精度高、抗干擾等優(yōu)點。該傳感器能夠精確測量0-20kPa范圍內的微壓力，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)學模型并利用最小二乘法進行了求解。當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，對其進行了線性化，并使用最小二乘法對線性化后的模型進行了求解。當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行了求解。當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計中存在的關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計中存在的關鍵問題，包括設計流程、測量范圍的確定、器件大小的確定、中間分隔層材料的選擇、機械部分的設計和電極耦合，并提出了解決方法。研究了新型聲表面波壓力傳感器設計中存在的關鍵問題，包括襯底材料的選擇及切割、聲表面波器件結構的選擇、聲表面波器件版圖設計、聲表面波器件懸臂梁結構的設計、輸入輸出頻率旁瓣

7、的抑制和溫度補償，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