用于可穿戴设备的柔性力学传感器研究

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近年来,随着可穿戴设备的快速发展和传感器技术的进步,用于可穿戴设备的柔性力学传感器不断涌现并逐渐成为研究的热点,基于新型纳米材料的柔性压力传感器与柔性应力传感器层出不穷。柔性力学传感器可以直接贴附在人体或者可穿戴设备表面,实现对人体健康参数和运动参数的监测,方便人们的生活,逐渐成为新的消费增长点。本文主要是针对柔性可穿戴设备的应用需求,研制用于可穿戴设备的柔性应力传感器和柔性压力传感器。本文首先介绍了还原的氧化石墨烯的制备及表征技术。还原的氧化石墨烯作为柔性力学传感器的传感材料,其性能参数直接决定了柔性力学传感器的性能。本文通过激光直写法和热还原法制备还原的氧化石墨烯,并利用扫描电子显微镜和拉曼光谱仪对还原的氧化石墨烯的微观结构进行表征。激光直写法和热还原法制备还原的氧化石墨烯具有简单方便、成本低的特点,可以有效的降低柔性力学传感器的制备成本。本文接着制备了柔性应力传感器。首先介绍了用于可穿戴设备的应力传感器制备、表征和性能测试技术,制备了敏感因子高达402的柔性应力传感器,实现了高灵敏度大敏感范围的柔性应力传感器。接着介绍了柔性应力传感器的优化技术,提出了结构优化和材料优化两种优化方法,实现了柔性应力传感器敏感因子和敏感范围的提高。然后介绍了柔性应力传感器的传感机理,提出了理论模型,理论模型和实际实验结果具有较高的一致性。最后,论文进一步探索了柔性应力传感器在可穿戴设备中应用场景。本文最后制备了柔性压力传感器。首先介绍了柔性压力传感器的制备、表征及性能测试技术。基于多孔石墨烯结构,制备了高灵敏度与大的敏感范围的柔性压力传感器,灵敏度高达3.5%/kPa。接着介绍了柔性压力传感器的传感机理。结合多孔石墨烯的表征结果建立了有限元仿真模型,仿真结果表明,柔性压力传感器的实验结果和仿真结果具有良好的一致性。最后介绍了柔性压力传感器在可穿戴领域的应用前景。
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