首页> 中文学位 >液态金属柔性应变传感器及扩大应变传感范围的技术研究
【6h】

液态金属柔性应变传感器及扩大应变传感范围的技术研究

代理获取

目录

目 录

1 绪论

1.1 应变及其传感测量技术

1.1.1 应变的基本概念

1.1.2 应变测量方法与技术

1.2 柔性传感器测量技术

1.2.1 信号转换机制

1.2.2 柔性电子元器件基底材料

1.2.3 液态金属填注技术

1.3 大应变及其传感测量技术

1.3.1 大应变定义及大应变测量方法

1.3.2 可延展柔性电子技术的发展现状

1.4 本文的主要研究内容和意义

1.5 本章小结

2 液态金属柔性应变传感器制备工艺

2.1 材料性能

2.1.1 PDMS 基本性质与制备

2.1.2 镓铟合金 EGaIn基本性质

2.2 液态金属柔性应变传感器的制备

2.2.1 芯片图形的计算机辅助设计

2.2.2 微流控芯片制备

2.3 本章小结

3 液态金属柔性应变传感测量的设计和分析

3.1 液态金属柔性应变传感测量的要求和途径

3.1.1 液态金属柔性应变传感测量的特点、要求

3.1.2 液态金属柔性传感器大应变测量的实现途径

3.1.3 传感结构的设计参数、特性参数和评价指标

3.2 单层结构形式的应变传感结构

3.2.1 单层结构设计

3.2.2 结构特点分析

3.3 双层结构形式的应变传感结构

3.3.1 双层结构设计

3.3.2 结构特点分析

3.4 本章小结

4 柔性大应变传感器的实验研究和数据分析

4.1 应变传感器的传感特性试验研究

4.1.1 试验概况及试验准备

4.1.2 标定实验

4.1.3 重复性实验

4.1.4 迟滞性实验

4.1.5 温度影响实验

4.1.6 误差分析

4.2 实验数据回归分析

4.2.1 回归函数模型

4.2.2 回归方程检验

4.3 柔性应变传感器传感特性分析与评价

4.3.1 线性度和灵敏度

4.3.2 迟滞性和重复性

4.3.3 温度对传感芯片影响

4.3.4 影响传感器传感特性的设计因素讨论

4.4 本章小结

5 全文总结与展望

5.1 本文主要工作及结论

5.2 论文创新点

5.3 展望

参 考 文 献

附 录

A. 学位论文数据集

致 谢

展开▼

摘要

本文针对工程中所出现的大应变测量需求,设计研发了一种可实现大应变量测的柔性传感器,它主要是以硅橡胶聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底材料,利用光刻技术在其内部刻制微流道,将在室温下保持液态的镓铟合金(EGaIn)注入其内,利用硅橡胶弹性大、柔韧性好、性质稳定和镓铟合金(EGaIn)良好的流动性和导电性的特点,实现了类似于柔性“电阻式应变片”的功能,达到大应变量测的目的。  本文共设计了单层结构形式和双层结构形式的应变传感结构。单层结构形式的应变传感结构由基片和盖片通过键合而成,其微流道处在一个平面内。根据设计参数的不同共设计制备了6个传感芯片,并进行了探索性实验,通过试验研究出一种合理的传感器结构,能够实现大应变测量,并且具有较高的灵敏度和较好的线性度;还进行了传感器传感特性试验,通过实验的方式验证了该类传感结构具有灵敏度高、应变量程大、回程误差小、重复性好等特点。双层结构形式的应变传感结构是由分别刻有微流道的上下基片和中间隔层键合而成,在同一块传感芯片上集成了惠斯通全臂工作电桥电路。本文从理论上论证了该类设计可以有效提高应变传感器的灵敏度。  通过理论和试验的论证,本文的主要结论如下:  ①以硅橡胶聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料为基底材料,通过内部刻制微流道并注入镓铟合金(EGaIn)的方式制成柔性应变传感器,可实现大应变量测的目的。  ②本文所设计的液态金属柔性应变传感器的初始阻值在900~2000毫欧,在变形达到40%时,电阻变化700~1500毫欧,电阻变化率超过了50%,试验测得各传感芯片的灵敏度在67~150mΩ/mm,证明该类传感器具有灵敏度高、分辨率高的特点。  ③受加工精度影响,即便是相同设计参数也不能保证传感器初始阻值相同,本文所设计的传感芯片初始阻值相差可达上百毫欧,因此,同类型传感芯片的初始阻值要由实验测量确定。  ④高温对液态金属柔性应变传感芯片的初始阻值和传感特性均有一定影响,影响程度与普通金属大致相同,传感芯片的电阻温度系数α≈0.433%℃?1,在传感器实际应用中需要进行温度修正。  ⑤液态金属柔性应变传感器的传感特性受多个设计参数影响,包括传感芯片厚度、微流道布置形式、微流道横截面尺寸、相邻微流道间距等。芯片厚度对传感芯片灵敏度有一定影响,但在厚度相差1mm的情况下,影响并不明显,基本满足芯片越薄,灵敏度越大的关系;微流道横截面尺寸对传感芯片灵敏度影响较大,通过减小横截面尺寸可以有效地提高该类传感器的灵敏度;微流道间距也是影响传感芯片灵敏度的重要因素,实验表明较大的微流道间距可以提高芯片的灵敏度。  ⑥通过理论推导证明双层结构形式的传感结构可将单层结构形式的灵敏度提高2(1+ν)倍,常温下聚二甲基硅氧烷(PDMS)的泊松比为0.48,则该类设计可将灵敏度提高2.96倍。除此之外,该设计还实现了温度自补偿,并有效减小了传感芯片体积。

著录项

相似文献

  • 中文文献
  • 外文文献
  • 专利
代理获取

客服邮箱:kefu@zhangqiaokeyan.com

京公网安备:11010802029741号 ICP备案号:京ICP备15016152号-6 六维联合信息科技 (北京) 有限公司©版权所有
  • 客服微信

  • 服务号