基于波浪褶皱结构的裂纹传感器研究

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随着现阶段柔性化和微型化的电子产品的出现,人们对于智能化应用的传感器需求大幅度提高,用于感知应力的柔性传感器也引发了国内外学者们的兴趣。其中,裂纹传感器因其灵敏度较高而备受关注,但是较低的拉伸范围却使其应用受限。
  本篇论文中,首先制备了Au-PDMS裂纹传感器,提高了裂纹传感器的拉伸范围并且对其进行了性能表征与应用测试。但是Au-PDMS裂纹传感器对于拉伸范围的提高较为有限,因此引入波浪褶皱微结构,提出了一种基于波浪褶皱结构的裂纹传感器,其具有高灵敏度和高拉伸范围。
  (1)制备了Au-PDMS裂纹传感器并且对其进行性能测试及应用测试,与前人制备出的裂纹传感器相比,其具有更大的拉伸范围和更好的拉伸性能。拉伸性能:在ε<6%的范围内,灵敏度(Gauge factor,GF)为97.5;在6%<ε<8%的范围内,灵敏度GF达到921.9;在ε>8%的范围内,灵敏度GF高达6285.1,灵敏度极高。弯曲性能:在2.5%的应变内,电阻的变化量达到9倍,灵敏度GF高达408.3。
  (2)将Au-PDMS裂纹传感器与基于波浪褶皱结构的裂纹传感器进行电学性能对比,证明波浪褶皱对于裂纹传感器性能有提升作用,波浪褶皱结构能够显著提升裂纹传感器的拉伸范围,并且能够产生可预测的裂纹。70%预拉伸的波浪褶皱裂纹传感器的灵敏度为GF~80(0%<ε<30%),GF~380(30%<ε<60%),GF~2585(ε>60%)。
  (3)分析有限屈曲变形理论以讨论褶皱波长和振幅的影响因素,讨论基于波浪褶皱结构的裂纹传感器的电学性能,并结合理论及仿真分析讨论性能的形成原因。随着预拉伸提高,基于波浪褶皱结构的裂纹传感器拉伸范围逐渐提高,灵敏度逐渐降低,弯曲灵敏度逐渐提高。
  本文制备的基于波浪褶皱结构的裂纹传感器同时兼备高拉伸范围、高灵敏度、制备简单等优点,这使得它在许多实际应用方面都有着很广阔的应用前景。因此,将该裂纹传感器用于人体运动探测、机器人运动预测以及重物称量,以实现对于人体运动的监测以及机器人自动化控制。
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