基于镓基液态金属的无线无源柔性应变传感系统研究

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柔性可拉伸应变传感器,在人体运动监测等领域有着较好的应用前景,对于可穿戴设备的发展起着重要作用。目前,大部分柔性可穿戴应变传感器将电极与外部电路连接来完成后续测量,这种有线连接方式极大限制了应变传感器在可穿戴生物传感领域的应用。另外,传统柔性应变传感器存在延展性差和较大迟滞性等问题,这些问题会导致应变测试结果不准确。针对上述问题,本文利用镓基液态金属作为柔性导电材料,基于NFC技术、应变传感技术和柔性电子技术,构建了基于镓基液态金属的无线无源柔性应变传感系统。(1)针对传统应变传感器需要有源供电和有线连接导致应变数据测量不便等问题,设计了一款无线无源柔性应变传感系统。该系统利用NFC的电磁感应耦合原理实现无线能量采集和数据传输,无需外接电源。该传感系统贴合在手指、手腕、颈部等部位,来跟踪监测人体运动。并设计一款数据读取APP,来完成应变传感系统的数据读取,使应变数据检测及监测更加方便。(2)针对应变传感器在拉伸情况下存在较大迟滞等问题,采用镓基液态金属作为柔性导电材料。分析应变传感器产生迟滞的原因,并基于应变传感器微通道结构的粘弹抑制理论,研究了应变传感器迟滞性的抑制方法。设计了微通道结构为波浪型的应变传感器,并对其迟滞性、灵敏度、线性度、分辨率、重复性和耐久性等性能进行测试,设计的传感器具有较低的迟滞性,具有响应快速,线性度好,分辨率高等优点。(3)针对镓基液态金属应变传感系统的柔性NFC天线部分随着人体运动弯曲变形,其天线谐振频率偏移容易导致测量数据通信失败的问题。分析了NFC标签天线重要参数,建立NFC天线的电磁仿真模型进行理论分析,设计具有良好柔性特点和较高带宽的NFC天线,其在较大拉伸和弯曲变形下的电感变化和谐振偏移程度不大,具有较好的工作稳定性。实验表明,利用镓基液态金属制备的无线无源应变传感系统具有较好的柔性特点,可以贴合在人体皮肤表面,跟踪监测人体运动,能够进行无线通信,无需外部电源,测量数据可以通过智能手机APP读取,读取过程方便快捷。本文设计的柔性无线无源应变传感系统以其独特的优点,在信息交换、个人健康数据监测和可穿戴生物传感等领域有着较大的潜在应用。
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