核心技术一

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日期:2019-03-11

1. 柔性智能传感器系列

传感器是柔性电子设备的重要组成部分。人体表面的变形主要为大弯曲变形大伸缩应变变形,目前市场上这方面可以实际应用的传感器不常见;此外,心电、肌电、脑电等生物电信息监测系统中,高性能的柔性导电电极也是需求痛点。本团队在这几方面开展了系统的研究和并获得了实质性的突破。

1.1.曲率传感器

曲率是一个描述表面几何形貌和变形的重要参数,目前工业界其他领域有一些测量方法,主要是通过光学成像结合图像分析的方法,还有利用弯曲变形影响光纤光学传输效果的机理发展的测量方法,用这些方法测量曲率成本较高最重要的是其测量光路和配套设备都很复杂,体积较大,无法在人体上实现便携化,更无法应用于可穿戴设备和智能服饰

曲率是一个描述表面几何形貌和变形的重要参数,目前工业界其他领域有一些测量方法,主要是通过光学成像结合图像分析的方法,还有利用弯曲变形影响光纤光学传输效果的机理发展的测量方法,用这些方法测量曲率成本较高最重要的是其测量光路和配套设备都很复杂,体积较大,无法在人体上实现便携化,更无法应用于可穿戴设备和智能服饰

 

本团队研制了一种贴片式柔性曲率传感器,对其设计、制作工艺、性能标定和实际测量进行了详细的研究,经过标定、实物测试等多种测试检验,确认了其精确性、信号线性度、长期使用的重复性等方面性能良好。目前科学研究方面,经常有通过应变传感器测量弯曲变形的报道,但事实上这种测量方式有一个苛刻的要求,即应变传感器与被测目标表面必须完美粘合,如出现相对滑动,其精度会显著降低甚至结果不可用,这大大限制了其在可穿戴柔性器件方面的应用。本团队研制的曲率传感器对滑动不敏感,在应用中不要求与被测目标粘合,可以随意滑动,仍然可以测得精准的弯曲变形信息。该传感器制备工艺相对简单,方便集成,可以灵敏地捕捉到人体各处的弯曲信息,在可穿戴设备(柔性手势识别手套、坐姿监测智能服装、动作捕捉智能服装、医疗康复训练设备等)和机器人技术等方面有着广泛的应用前景。

1.2.大应变传感器

应变传感器是用于测量物体应变大小的一种传感器,在可穿戴设备方面有很大的需求空间,比如实时监测人体的腰围,记录运动塑身的效果。应变传感器的种类繁多,按原理分,有电阻式的、电容式的、压电式的、电感式的和光学式的,等等。电阻应变片则是其最常采用的传感元件,它是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。电阻式应变传感器,其电阻材料又可分为金属、半导体、溶液、导电聚合物、石墨,等等。目前使用的电阻式应变传感器以金属电阻的应用最为广泛,然而由于金属拉伸率的限制,所测应变范围也比较小。例如康铜,一般只能保证测量2%以内的应变是可信的,这对于它在可穿戴设备方面的应用限制极大(人体表面的变形应变可达到百分之几十)。对于大应变传感器的前沿研究,主要集中在碳基应变传感器,这类传感器有很多学术文章,但应用起来还需要一段距离,比如它的精度、重复性、温度敏感性以及需要进一步改善

本团队研发了一种能够精确测量较大量程范围的电阻式应变传感器,仍采用性能优良的康铜作为电阻材料,稳定性很好,对温度不敏感,可以达到百分之几十甚至几百的应变测量范围,具有很强的使用价值。该传感器在智能服饰、医疗手术设备(韧带等组织的变形测量)等方面有重要的应用前景。

 

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