摘 要

伴随着5G技术和人工智能的快速发展，物联网生活也必然是未来社会的重要发展内涵。而物联网生活的实现，需要传感器、智能机器人、大数据及互联网等新型行业与产业的融合与促进。传感器作为物联网的重要硬件基础，近些年得到了快速的进步与发展。新兴的柔性传感器技术在可穿戴设备、电子皮肤、智能机器人等多领域具有较强的应用潜力。但现阶段柔性传感器的制备工艺较为复杂，这也就造成了其发展与推广的阻碍。因此，利用现有成熟的3D打印技术可以进一步的优化其加工工艺，助力柔性传感器的发展。

本文设计提出了一种基于3D打印技术的可穿戴柔性传感器。并借助SOLIDWORK，COMSOL等软件对于该传感器进一步的进行设计与研究。按传感器机理进行划分，该传感器为压阻传感器，故其具有结构简单，容易制备、性能稳定等特点。利用仿真软件对于该传感器的微观结构进行受力分析，确定了微观结构的应力应变特点，实现了不同设计方案间的比较。可知在10kPa的作用下，传感器中圆顶形微观结构表面最大应力为470kPa,该结构具有良好的力学及传感性能。

论文主要探索研究了柔性传感器的工作机理，并对于如何提升柔性传感器的性能进行研究与分析。在设计研究中，发现通过改变传感器敏感层的微观结构，可以有效的实现传感器性能的提升。故在传感器的设计与研究中，设计了多种不同种类的微观结构进行对比与分析。研究结果表明：采用圆顶形微观结构的传感器具有良好的力学特性，在受到力学作用下，该结构可以实现有效的应力集中，而这对于柔性传感器的性能提升则起到了重要的作用。文章之后对于柔性传感器的制备工艺以及测试表征进行了介绍，完整的介绍了该传感器的制备及加工等工艺流程。并且对于柔性传感器的应用场景进行分类，从而进行总结与展望。

本文的特色：本文采用设计与研究相结合的方式来对于传感器进行研究。在研究的过程中通过构建多种传感器模型，以横向对比分析的方式获得了最优的结构。并基于该结构进一步进行研究探索，取得了丰富的成果。

关键词：柔性传感器；聚二甲基硅氧烷；3d打印技术；应力分析

Abstract

With the rapid development of 5G technology and artificial intelligence, the life of the Internet of things is bound to be an important development connotation of the future society. The realization of iot life requires the integration and promotion of new industries and industries such as sensors, intelligent robots, big data and the Internet. As an important hardware foundation of the Internet of things, sensors have made rapid progress and development in recent years. The emerging flexible sensor technology has strong application potential in wearable devices, electronic skin, intelligent robots and other fields. However, at the present stage, the fabrication process of flexible sensor is relatively complex, which leads to the obstacle of its development and popularization. Therefore, the existing mature 3D printing technology can be used to further optimize its processing process and facilitate the development of flexible sensors.

In this paper, a wearable flexible sensor was designed and analyzed with the help of SOLIDWORK and COMSOL. The mechanism of the sensor is a resistive flexible sensor, so the sensor has the characteristics of simple structure and excellent performance. Through the design and analysis of the array micro-nano structure of the sensor, the optimal dome-shaped interlocking design scheme is obtained. The stress concentration and deformation characteristics of the micro-nano structure are determined by using the simulation software. It can be seen that under the action of 10kPa, the surface stress of the sensor is xx, and the results obtained have great reference significance for the design of similar flexible sensors.

This paper mainly explores the working mechanism of the flexible sensor, and further designs and analyzes how to improve the performance of the flexible sensor. In the design research, it is found that the performance of the sensor can be effectively improved by changing the microstructure of the sensor's sensitive layer. Therefore, in the design and research of sensors, a variety of different kinds of micro-nano structures are designed for comparative analysis. The results show that the micro-nano sensor with dome-shaped interlocking structure has good mechanical properties, and under the action of mechanics, the structure can achieve effective stress concentration, which plays an important role in improving the performance of the flexible sensor.

Features of this paper: this paper combines design and research to design and analyze the sensor.In the process of the research, the optimal structure is obtained through the transverse comparative analysis of a variety of sensor structures. Based on the further research and exploration of the structure, a wide range of application space is proposed.

Key Words：Flexible sensor；Polydimethylsiloxane；3D printing；stress analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景、目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3柔性传感器的应用 2

1.4研究内容与预期目标 3

第2章 柔性传感器的结构及工作原理 5

2.1柔性传感器的基本结构 5

2.2柔性传感器的工作机理研究 5

2.2.1压阻柔性传感器的测量机制 5

2.2.2复合高分子材料导电理论 6

2.2.3海绵泡沫结构及碳骨架的制备及机理研究 7

2.2.4敏感层表面微结构的制备机理研究 8

2.3柔性传感器的材料选择 9

2.3.1基底材料的选择 9

2.3.2活性材料的选择 9

第3章 柔性传感器参数化结构设计研究 11

3.1传感器微观机构的设计 11

3.2圆顶形微观结构的设计 11

3.3金字塔形微观结构的设计 12

3.4柱状微观结构的设计 12

3.5互锁微观结构设计 13

第4章 基于COMSOL超弹性体仿真研究 14

4.1仿真模型的定义 14

4.2材料性能指标 14

4.3边界条件设定及网格划分 14

4.4结果与讨论 15

4.4后处理与分析 17

4.4.1应变分析 17

4.4.2 应力分析 17

4.4.3应力应变曲线的耦合 18

4.5仿真总结及展望 19

第5章 柔性传感器的制备及测试方法 20

5.1基于3D打印技术的制备工艺 20

5.2柔性传感器的测试方法 21

第6章 总结与展望 22

6.1总结 22

6.2总结展望 22

参考文献 23

致谢 26

第1章 绪论

1.1课题研究背景、目的及意义

伴随着科学技术的发展，电子器件也在各领域内得到了更宽泛的应用，这既加快了相关产业的发展，也使得电子器件对于性能的要求进一步提升^[1,2]。具有可弯曲、扭曲、拉伸等性能的柔性电子产品，在近些年得到了快速的性能提升^[3,4]。这些独特优异的机械性能被广泛应用于医用设备、可穿戴设备、柔性压力传感器等领域^[5]。对于传统的压力传感器，其大多采用刚性的半导体来研发，这也就造成了适用范围窄、不够便携、人体贴合度差等缺点^[6,7]。柔性压力传感器克服了传统传感器柔韧性差的缺点，并具有尺寸小、重量轻、功耗低、易于集成并且耐恶劣工作环境的优点，极具发展前景^[8,9]。

图1.1 一种贴于手背的柔性传感器薄膜

3D打印又称增材制造，近些年内快速发展起来的加工工艺。它是基于数字模型为基础，运用粉末状金属、塑料、凝胶等等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造出加工物体的技术^[10,11]。相较传统机械加工工艺，3D打印技术具有加工灵活、材料无限组合等优势，故其在生物医疗、航空航天、智能材料、柔性电子、微纳器件等众多领域拥有巨大的应用潜力^[12,13]。

图1.2 智能化的3D打印设备