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基于液态金属的柔性应变传感器性能优化模拟与实验研究

谢振文  
【摘要】:传感器是现代信息技术中最重要的部分,随着电子技术以及材料科学的发展,人们对传感器提出了新的需求,希望传感器具有柔性、可拉伸性以及微型化等特性,使其能适应于复杂环境以及不规则表面的信号测量。近年来,研究人员通过材料、传感机理以及结构设计等方面开发了大量适应于不同应用场景的柔性应变传感器,相对于材料开发的漫长研究,通过结构的设计改善传感器的性能更为直观有效且具备工程实践的意义。本文从有限元结构分析的角度出发,建立柔性应变传感器有限元模型,对柔性应变传感器进行了结构优化分析,并在分析的基础上结合MEMS工艺设计了具有低迟滞现象且性能优越的柔性应变传感器,最后通过实验对设计的传感器模型进行了实验对比以及进一步的特性分析。主要工作内容和结论有:(1)比较了多种超弹性模型,在试验设备受限的情况下,选定Yeoh模型作为材料本构模型,分析推导Yeoh模型的应力应变关系,并通过Bergstrom等人开发的Mcalibration软件对以Yeoh模型作为弹性网络部分的Bergstrom-Boyce模型拟合。(2)建立单通道柔性应变传感器模型,通过分析在150%最终拉伸应变的作用下,柔性传感器为1:1,1:2以及1:5的槽道高宽比对传感器力学性能的影响,表明了高宽比对传感器的性能影响可以忽略不记。根据这一特性结合薄膜厚度的需求,采用了1:5的高宽比设计,并进一步对槽道侧壁弧度分别为0°(长方形槽道)、70°以及180°的柔性应变传感器模型进行了应力分布、应力应变滞回、电阻迟滞以及模型在拉伸过程中的能量损失进行了研究,发现柔性应变传感器的应力应变滞回性能随着侧壁弧度的增加得到了改善,电阻的迟滞现象也得到了改善,特别是弧度为180°的柔性传感器,其滞后现象相对其他两种模型有明显改善。同时能量损失也随着弧度的增加而减少。(3)探究了三种旋涂速度以及三种曝光剂量对微槽道模具厚度以及宽度的影响。确定了试验所需150 um厚度以及375 um线宽对应的最高旋涂速度以及曝光剂量分别为:1940 rpm以及235 mJ/cm~2。利用Ecoflex00-30半固化的工艺,制备了三种具有微槽道的柔性应变传感器。(4)利用电子万能试验机对三种具有微槽道的柔性应变传感器进行力学性能的实验对比,分析了三种槽道的应力应变曲线,以及滞回性能,发现滞后性也是随着内部侧壁弧度的增加而减少的,说明了前述模型的合理性。进一步结合数字源表对传感器的静态性能分析,发现其线性度随着侧壁弧度的增大而得到了微小的改善,线性度在5.8%到8.5%之间,对GF的影响可以忽略。随着侧壁弧度的增加,其迟滞现象得到了很大的改善,柔性应变传感器的迟滞误差随着弧度增加由1.7%减少到0.13%。以上结果表明基于有限元分析的结构设计有效地改善了柔性应变传感器的性能。


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