关键词： 仿生学   柔性传感器   MEMS工艺   低功耗   可穿戴  

摘要： 柔性传感器具有可塑性、可弯曲、轻量化、可穿戴等诸多优点,在工业制造、人机交互、健康监测可穿戴设备等方向都具有广泛的应用价值。近年来,通过借鉴生物优异的感知能力,探索柔性传感器设计的思路,已成为目前非常热门的研究方向。如典型节肢动物蝎子,其作为一种夜行动物,视觉系统高度退化,感知器官却进化出了远优于其他生物的微应变感知能力,这种感知能力是当前大部分柔性传感器所望尘莫及的。国内外许多学者都对蝎子具有优异感知能力的感知器官(缝感受器)进行了相关研究,但仍没有对缝感受器的缝单元不同几何参数与感知能力的映射关系进行深入研究,导致出现以缝为蓝本的仿生柔性缝传感器设计随机、制备工艺不稳定、性能不统一的问题。本文以蝎子缝感受器的微观结构为蓝本,研究不同几何参数的缝单元与感知性能的映射关系,制备了超敏宽裕柔性缝传感器,进行了传感器性能测试,并将制备的传感器应用在本文设计的可穿戴式低功耗人体健康监测系统上,用于测量多量级的脉搏、呼吸体征信号,主要研究工作如下, (1)本文以彼得异蝎(Heterometrus petersii)为生物模板,通过白光干涉实验对蝎子缝感受器进行应变激励下缝单元的几何观察,分析缝单元几何特征变化规律;为了更深入探究不同尺寸的缝单元对不同幅值应变激励信号响应的区别,搭建了缝感受器电生理实验平台,进行了缝感受器电生理实验,进一步验证了缝感受器几何特征应变响应规律,从而获得缝单元的几何参数与感知灵敏度和感知范围性能的映射关系,即宽深比小的缝单元具有高灵敏度、小感知范围,而宽深比大的缝单元具有低灵敏度、大感知范围。 (2)基于灵敏度和感知范围与缝单元几何参数的映射关系,建立了具有不同宽深比的缝结构传感器在应变激励下的响应模型,并通过模型理论拟合,验证了不同缝宽传感器对灵敏度和检测范围的影响机制,提出了通过组合宽窄缝来实现灵敏度和检测范围性能兼顾的方法。进而对传感器结构进行设计,使用MEMS和FPCB标准化可控工艺,对仿生柔性缝传感器的性能统一的制备流程进行研究,制备了三种不同缝组合的传感器,即仅宽缝、仅窄缝以及宽窄缝组合柔性缝传感器。最后,搭建传感器测试平台,对制备好的传感器进行灵敏度、耐久性测试,测试结果显示,所制备的宽窄缝组合的缝传感器,灵敏度最大为932,应变检测范围最大为0.479%,且宽窄缝组合的传感器灵敏度比仅宽缝的缝传感器大3.5倍,检测范围比仅窄缝的缝传感器大2.9倍,验证了所提出的组合宽窄缝具有超敏和宽裕的性能,经历10000次重复弯曲循环后的性能仍保持稳定,证明所研究的制备工艺可靠且稳定。 (3)设计了可穿戴式低功耗人体监测系统。使用制备的具有宽窄缝阵列结构的超敏宽裕柔性缝传感器,应用于人体多量级体征信号的监测,包括脉搏监测和胸腔收缩呼吸监测。首先是脉搏监测系统设计,包括硬件系统设计、系统功耗测试以及软件设计,设计的PCB大小为,深度睡眠下的运行电流约为27u A。并使用脉搏监测系统对运动前后实验人员的脉搏信号进行监测,可以清晰的观察到脉搏波的特征,验证了超敏宽裕柔性缝传感器对微弱脉搏信号监测的可行性以及脉搏监测系统的稳定性;然后使用脉搏监测系统相同的硬件方案,设计出更小体积的柔性电路胸腔收缩呼吸监测系统,大小为,并进行了系统功耗测试,与脉搏监测系统相同的功耗表现,接着用胸腔收缩呼吸监测系统监测静坐的实验人员的呼吸信号,监测了多个呼吸周期带来收缩应变信号均较为稳定,验证了超敏宽裕柔性缝传感器对胸腔收缩大应变信号监测的可行性以及柔性FPCB系统在可穿戴式应用的稳定性。

关键词： 物联网   通信技术   网络覆盖   低功耗广域网  

摘要： 阐述不同LPWAN技术特点、低成本广域网优点以及在实践中面临的问题。分析低功耗广域网在电网物联应用的阻碍。探讨低功耗广域网在电网的物联应用，包括远程监测和控制、能源数据采集。