發(fā)布時間：2020-05-12 03:11

【摘要】：物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮,將在未來十年內(nèi)重新定義人們的生活方式。在以人為中心的智能世界中,可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)是最貼近人體的物聯(lián)網(wǎng)分支,可穿戴傳感器是人與智能世界溝通的橋梁,通過可穿戴傳感器,可以收集人體信息,或是向物聯(lián)網(wǎng)發(fā)出指令等。壓力是最常見的人體外顯信號,機械能是人體周圍環(huán)境中最普遍的能量形式,因此研究柔性可穿戴機電換能器件,收集、分析、利用人體(環(huán)境)機械信號具有十分重要的意義。本論文圍繞壓電駐極體材料,深入研究了其基本物理原理,通過理論分析和模擬仿真建立了壓電駐極體納米發(fā)電機理論體系,為后續(xù)器件設(shè)計提供了指導(dǎo)思路,進一步的,設(shè)計并優(yōu)化了兩種可穿戴傳感器,拓展了壓電駐極體在柔性可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用。主要研究內(nèi)容和成果概述如下:1.壓電駐極體是一類具有壓電性的多孔駐極體材料,它表現(xiàn)出與傳統(tǒng)壓電晶體類似的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng),但其基本原理是基于駐極體內(nèi)儲存電荷的靜電效應(yīng)。電荷是壓電駐極體的核心,一般由高壓極化過程中的氣體擊穿放電產(chǎn)生,具有相反極性的電荷在上下孔壁的駐極體材料表面被捕獲,于是正負電荷對形成類電偶極子,在材料壓縮過程中表現(xiàn)出壓電效應(yīng)。壓電駐極體的壓電性能與其可壓縮性直接相關(guān),本文通過壓電駐極體基本模型分析了材料彈性模量與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系,為壓電駐極體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了思路。壓電系數(shù)是衡量材料壓電性能的重要指標(biāo),本文推導(dǎo)了壓電系數(shù)d_(33)、開路壓電系數(shù)g_(33)、逆壓電系數(shù)K的表達式,揭示了電荷密度、楊氏模量等參數(shù)對材料壓電性能的影響方式。2.本文建立了壓電駐極體納米發(fā)電機基本物理模型,計算了器件內(nèi)部電荷、電場、電勢分布情況,并推導(dǎo)了器件輸出性能公式。分別模擬了勻速、余弦壓縮模式,從結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、負載、外部激勵等方面研究了各項參數(shù)對器件輸出性能的影響。進一步的,為了深入研究器件內(nèi)部物理場變化情況,本文通過有限元仿真的方式,研究了外力壓縮情況下的器件內(nèi)部應(yīng)力分布、應(yīng)變分布、電場分布、電勢分布等,揭示了器件工作過程中的內(nèi)部物理變化本質(zhì)。3.本文采用膨化、極化法制備了多孔聚丙烯壓電駐極體薄膜,進一步開發(fā)了基于多孔聚丙烯的壓電駐極體聲紋傳感器,并通過偶極取向控制的方法,調(diào)控多層孔中的偶極子極化狀態(tài),提升了器件輸出電流及傳感器靈敏度。在單頻聲學(xué)測試中,研究了器件輸出與聲波信號頻率、聲壓級的關(guān)系,表征了器件的彎曲特性、方向性、穩(wěn)定性。在復(fù)合頻率的聲波刺激下,器件表現(xiàn)出高信噪比(約20)和高聲能比(約10),體現(xiàn)了它在聲音傳感和聲學(xué)特征識別中的巨大潛力。本文利用聲紋傳感器構(gòu)建了一個聲紋識別系統(tǒng),實現(xiàn)了說話人聲紋特征和語音內(nèi)容的雙重識別,展示了該器件在非接觸式生物識別和安全管理系統(tǒng)中的廣闊應(yīng)用前景。4.本文利用具有較高儲存正、負電能力的COC、THV駐極體,結(jié)合PDMS彈性體作為支撐層,制備了具有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的THV/COC壓電駐極體壓力傳感器。研究了具有非對稱正負電荷分布的壓電駐極體,揭示了器件電壓輸出與器件內(nèi)部初始電場的直接聯(lián)系,研究表明更高的電荷密度可以有效提升電場,從而獲得更高的電壓輸出�；�于駐極體電荷儲存原理,本文利用淬火的方法提升了THV的負電儲存能力;基于壓電駐極體理論,本文通過設(shè)計PDMS支撐陣列的結(jié)構(gòu),降低了器件楊氏模量,提升了電壓輸出和靈敏度(30 mV/kPa),同時提升了線性壓力響應(yīng)范圍(150 kPa)。THV/COC壓電駐極體壓力傳感器被用于可穿戴領(lǐng)域中的大范圍壓力檢測,拓寬了柔性大壓力傳感器的應(yīng)用范圍,促進了柔性可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。
【圖文】：

圖 1-1 高性能傳感器發(fā)展趨勢。定了物聯(lián)網(wǎng)的九大應(yīng)用場景：人體、住房、零售環(huán)城市、戶外環(huán)境，其中人是物聯(lián)網(wǎng)的中心，物聯(lián)網(wǎng)在絡(luò)（WearableSensingNetwork）的方式實現(xiàn)，貼附在穿戴傳感器及其配套電路系統(tǒng)共同構(gòu)成了可穿戴傳疾病、增強體質(zhì)、提高生產(chǎn)力。根據(jù)高德納（Gartn場規(guī)模將穩(wěn)步提升，預(yù)計到 2021 年，全球?qū)①u出 5全球可穿戴設(shè)備銷售將創(chuàng)造 550.61 億美元的營收（ IDC（InternationalDataCorporation）的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)產(chǎn)品將占全球可穿戴市場份額的 80%左右（圖 1-2于產(chǎn)品提供的運動和睡眠追蹤、心跳脈搏等健康監(jiān)為最貼近人體的物聯(lián)網(wǎng)分支，具有巨大的市場前景

圖 1-1 高性能傳感器發(fā)展趨勢。麥肯錫公司設(shè)定了物聯(lián)網(wǎng)的九大應(yīng)用場景：人體、住房、零售環(huán)境、辦公室、工廠、工地、車輛、城市、戶外環(huán)境，其中人是物聯(lián)網(wǎng)的中心，物聯(lián)網(wǎng)在人體方面的功能以可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)（WearableSensingNetwork）的方式實現(xiàn)，貼附在人體周圍或植入到體內(nèi)的各種可穿戴傳感器及其配套電路系統(tǒng)共同構(gòu)成了可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)，，可以監(jiān)測人體健康、預(yù)防疾病、增強體質(zhì)、提高生產(chǎn)力。根據(jù)高德納（Gartner）咨詢公司的數(shù)據(jù)[6]，可穿戴市場規(guī)模將穩(wěn)步提升，預(yù)計到 2021 年，全球?qū)①u出 5.04 億臺可穿戴設(shè)備（圖 1-2a），全球可穿戴設(shè)備銷售將創(chuàng)造 550.61 億美元的營收（圖 1-2b）。來自國外權(quán)威數(shù)據(jù)機構(gòu) IDC（InternationalDataCorporation）的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計到 2021 年，智能手表、智能手環(huán)產(chǎn)品將占全球可穿戴市場份額的 80%左右（圖 1-2c），分析認為，未來的增長將來自于產(chǎn)品提供的運動和睡眠追蹤、心跳脈搏等健康監(jiān)測功能�？梢�，可穿戴傳感網(wǎng)絡(luò)作為最貼近人體的物聯(lián)網(wǎng)分支，具有巨大的市場前景。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM31

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