基于接触起电效应的柔性薄膜传感阵列系统

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能够对物体进行定位示踪的传感技术在电子商务、工业自动化、智能家居,可穿戴式电子设备,安全防盗、人流监控、医疗健康、交通监管和灾害预警等日常生活和社会生产领域中有着极为重要的应用价值和广阔的应用前景。  基于接触起电效应的柔性传感阵列不仅可以定位接触物体的接触位置,同时还能够感知接触物体移动的轨迹,以及接触物体的表面形貌。  为了解决基于接触起电效应的柔性传感阵列中面临的严重信号干扰,获得单元结构合理,输出信号干扰低的柔性传感阵列,本文经过系统的模拟仿真和实验测试,研究了抑制阵列信号干扰的方法,比较了不同传感单元的结构设计。本论文的研究工作主要包括以下几个方面:  1.设计并制作了一种相互嵌套式结构的基于接触起电效应的柔性传感单元和阵列。该结构对传感单元电极进行了图案化设计,将行传感单元电极和列传感单元电极集成到一个传感单元内,实现了物体接触单个传感单元即可定位接触物体的在传感阵列中的位置,有效的利用了传感器件中有限的平面空间。同时利用有限元分析软件考察了集成到单个传感单元内行列电极相对大小对阵列输出信号幅值的影响,当行电极面积与列电极面积之比为1时,模拟仿真得到的行电极信号输出幅值与列电极信号输出幅值相差最小,并以此为相互嵌套式传感单元内行列电极相对大小的最佳比例。  2.首次在基于接触起电效应的柔性传感单元和阵列中引入屏蔽电极及屏蔽层的设计。利用相互嵌套式结构设计,将引入的屏蔽电极和屏蔽层集成到基于接触起电效应的柔性传感单元和阵列中,有效的抑制了传感单元内部电极之间的信号干扰。此外,还利用有限元分析软件考察了屏蔽电极对干扰信号抑制的效果,结果显示,没有带孔屏蔽电极层的传感阵列模拟仿真得到的近端串扰(NEXT)为0.82,在引入带孔屏蔽电极层情况下,传感阵列模拟仿真得到的信号输出NEXT达到了0.01,引入的屏蔽电极层对干扰信号的抑制效果显著。  3.利用激光雕刻工艺制作了8×8基于接触起电效应的相互嵌套式大面积自驱动柔性触觉传感阵列,采用特氟龙布作为摩擦层材料,用导电布作为电极层材料,获得了柔性超薄的传感阵列。同时测量了大面积自驱动柔性触觉传感阵列在单点触碰、多点触碰情况下的信号输出幅值,结果显示在测量时,传感阵列信号输出幅值达到了25V,而干扰信号输出幅值约为0.25V,NEXT值低至0.01,表明传感阵列干扰信号被有效抑制。此外还考察了制作的传感阵列信号输出的一致性以及在100K次测试条件下传感阵列信号输出的稳定性,制作的传感阵列各单元信号输出幅值相差在0.05以内,具有非常好的一致性。经过100K次测试后,传感阵列的信号输出幅值几乎没有衰减。  4.利用微纳加工工艺制作了一种高分辨率薄膜式自驱动触碰传感阵列,获得了单元尺寸为500×500μm2的阵列为60×60的高分辨率自驱动触碰传感阵列,制作的传感阵列分辨率达到了50dpi,是目前报道的基于接触起电和静电耦合效应的传感阵列最高分辨率的25倍。制作的传感阵列3×3cm2有效传感区域中包含了3600个传感单元,传感单元密度达到了400个/cm2。制作完成的传感阵列厚度仅有20μm,具有非常好的柔性。经过小信号处理电路处理后,传感阵列输出信号幅值达到了约0.4V,NEXT值低至0.05。  5.结合信号处理电路展示了传感阵列在室内定位,电子签名,轨迹追踪以及图案采集等方面的应用。  本论文致力于解决基于接触起电效应的柔性传感阵列面临的严重信号干扰问题,引入屏蔽电极有效的抑制了传感阵列内单元之间信号干扰以及来自于环境中的工频干扰和电磁信号干扰。同时设计了一种相互嵌套式的传感单元和阵列结构,并利用有限元分析软件模拟计算得到最佳的结构参数。此外,结合信号处理电路,展示了设计制作的柔性传感阵列在室内定位,电子签名,轨迹追踪以及图案采集等场景下的应用,展现了基于接触起电效应的柔性传感阵列在人机交互,智能家居,安防及健康监护等领域的应用前景。
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