【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)時代到來,作為智能互聯(lián)終端的傳感器技術(shù)受到了人們的廣泛關注。其中,可穿戴式人體健康監(jiān)測傳感器由于其便攜,使用方便,測量準確等特點,將成為人類健康生活的得力助手。然而,目前的可穿戴設備均面臨能量來源的限制,商用電池將降低可穿戴電子設備的便攜性,并且在充電時期可穿戴電子設備無法正常使用。因此,利用駐極體機電換能方法制作的柔性可穿戴式力電傳感器與機電換能器件,并利用這些器件構(gòu)建自供能系統(tǒng),是一種可行的能量來源解決方案。本論文圍繞基于靜電感應的駐極體機電換能技術(shù),在柔性機電換能器件,柔性可穿戴式傳感器與開發(fā)駐極體材料的新應用方面展開了系統(tǒng)研究。主要研究內(nèi)容如下:1.研究討論了駐極體常見的電暈充電技術(shù)與駐極體貯存電荷流失的因素。構(gòu)建了多孔壓電駐極體的形變/輸出近似公式以及受力/形變數(shù)學關系。詳細地研究了駐極體機電換能器件參數(shù)與機電耦合性能的關系。2.通過壓力膨化,電暈極化的方法將原生雙向拉伸含孔洞聚丙烯(Polypropolene,PP)薄膜制備成多孔聚丙烯壓電駐極體。研究了不同工藝下的多孔聚丙烯壓電駐極體薄膜的壓電系數(shù)d_(33),并尋找多孔聚丙烯壓電駐極體薄膜的最優(yōu)加工方法。通過最優(yōu)加工方法的多孔聚丙烯壓電駐極體薄膜具有良好的機電換能性質(zhì)與可靠性,其靜態(tài)壓電系數(shù)d_(33)達到約210 pC/N,并且在超過9000次循環(huán)激勵測試,60℃下保持壓電性能穩(wěn)定。利用多孔聚丙烯壓電駐極體構(gòu)建了柔性可穿戴式人體喉結(jié)振動,脈搏傳感器,實現(xiàn)了多孔聚丙烯壓電駐極體薄膜在可穿戴式人體健康實時監(jiān)測方面的初步應用。3.通過模板熱壓的方法實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)/性能可調(diào)節(jié)的可熔性聚四氟乙烯(PFA)壓電駐極體。詳細分析了PFA壓電駐極體開路電壓與結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,并構(gòu)建了壓電駐極體在不同應力下的非線性形變模型,實驗證明這種模型與真實測量結(jié)果具有很高的吻合度。這種可通過設計內(nèi)部陣列式支撐結(jié)構(gòu)形貌進行優(yōu)化的PFA壓電駐極體在0-2.5 kPa低壓力范圍內(nèi)達到約15 V/kPa的高靈敏度。將PFA壓電駐極體應用于制作可穿戴式人體脈搏,呼吸,聲音以及步頻傳感器,展示了PFA壓電駐極體在人體健康監(jiān)測方向的良好應用前景。4.設計了一種高性能的基于駐極體靜電感應式機電換能結(jié)構(gòu)。利用厚度為30μm的氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)負電荷駐極體薄膜,在4×4 cm~2的限定面積,總厚度不超過2 mm的條件下,在正向激勵峰值為5 N,頻率為5 Hz的條件下,峰值功率達到2.5μW/cm~2。該機電換能器件在超過27000次的循環(huán)測試中性能保持穩(wěn)定。同時,利用FEP柔性機電換能器件在按壓情況下脈沖式電流輸出特性,制作了自供能的風扇遙控開關,拓展了駐極體靜電感應式器件的應用領域。5.在限定空間體積內(nèi),通過正,負電荷駐極體混合插層的器件結(jié)構(gòu)設計,提升了器件的機電換能特性,獲得了更高的電流、功率輸出特性。分析了這種機電換能器件的工作原理與輸出特性,并對比了在研究中設計的三種器件結(jié)構(gòu)所具有的電流,峰值功率輸出特性。基于FEP與環(huán)烯烴類共聚物(COC)駐極體薄膜的混合插層機電換能器,在5 N微弱機械激勵條件下電流峰值能達到約1μA,并隨著外界激勵增加,其輸出能夠進一步提升。該研究對于限定體積的駐極體機電換能器件設計具有重要的現(xiàn)實意義。
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中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 1 緒論網(wǎng)作為二十一世紀這個“信息化”時代的重要標志，一直受到人學家預測物聯(lián)網(wǎng)將會如同互聯(lián)網(wǎng)一樣迎來井噴式的爆發(fā)，但是到了傳感器技術(shù)、兼容技術(shù)、安全技術(shù)等諸多因素的限制。其相連”的核心部件，大量分布式傳感器的供能問題成為了物聯(lián)。

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文們的日常生活息息相關。盡管微型傳感器已經(jīng)盡可能的實現(xiàn)了微型化，而制作相應的可穿戴健康監(jiān)測傳感器卻是一項相當困難的挑戰(zhàn)[9]。可穿感器應當方便與人體或衣服材質(zhì)結(jié)合，并且具有自動，對人體無害等特應滿足方便使用的特點，這同樣要求健康監(jiān)測傳感器具有低功耗，，測量。為了滿足商品化的需求，健康監(jiān)測傳感器還需要降低器件成本。綜上有優(yōu)異性能，并且方便使用的可穿戴人體健康傳感器是一項具有挑戰(zhàn)性實用價值的研究課題。根據(jù)《2018 年可穿戴設備研究報告》的研究表康監(jiān)測設備在物聯(lián)網(wǎng)（IOT）與 5G 的推動下扮演重要角色。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212

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本文編號：2642562