基于水凝胶的柔性应变传感器的制备及其应用研究
随着5G技术和物联网技术的发展，柔性应变传感器已成为智能可穿戴设备发展的重要研究方向，其在电子皮肤、运动监测、机器人控制、AR/VR、远程工厂等领域中具有广阔的应用前景。针对这些复杂的应用，人们对高性能的柔性应变传感器的需求也不断增加。水凝胶基应变传感器由于具有柔性、结构稳定、灵敏度高、传感范围广、耐用性好等优点受到广泛关注，但是水凝胶基应变传感器目前仍然存在长期稳定性差和高动态迟滞的问题。基于此，本课题从抗干燥水凝胶的制备、电容式传感器的制备、传感器的结构优化这三个方面提升水凝胶基应变传感器的传感性能，并将水凝胶基应变传感器成功应用于运动监测和机械手控制。本论文主要取得的成果如下： （1）通过简单通用的模板法制备出厚度约为250?m的透明质酸钠-聚丙烯酰胺（SH/PAM）水凝胶薄膜，并实现水凝胶的图案化。得益于甘油和LiCl的协同作用，SH/PAM水凝胶表现出良好的拉伸性（445%应变）和抗干燥能力，其在温度为18℃、相对湿度为10%的干燥条件下放置24h后仍可拉伸。 （2）基于抗干可拉伸的SH/PAM水凝胶薄膜电极，制备出长期稳定可靠的电容式应变传感器。该传感器在相对湿度为20%的干燥环境中能够连续工作40h、经受住超过10,000个50%应变循环周期；或者在正常环境中能够保持高线性超过45天。同时，该传感器还表现出良好的传感范围（190%应变）、器件一致性（gt;93.56%）和机械鲁棒性。此外，构建了基于柔性应变传感器的可穿戴人机交互系统，实现该传感器在运动监测和机械手控制的应用。 （3）提出了一种基于超弹体封装的多层结构复合策略，有效地解决了电容式应变传感器由介电层的本征粘弹性引起的动态迟滞问题。该传感器能够精确检测频率为0.5Hz、应变率为50%/s的连续动态三角波形运动和频率为2.5Hz、应变率为250%/s的连续动态正弦波形运动。此外，该传感器在人机交互应用中实现精确传感，展示了低动态迟滞传感器在实际应用中的重要性。
抗干水凝胶;应变传感器;动态迟滞;可穿戴设备;人机交互
广西大学
硕士
物理学
潘曹峰
2023
中文
TP212
2024-01-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）