人工智能关系机械电子论文提纲

2022-11-15

论文题目：新型高性能触觉传感器的构筑及其前沿应用

摘要：机器人智能电子皮肤是大面积、柔性、紧密贴合在复杂三维载体表面,可以获取物理刺激到分布式传感阵列并预处理传感信号的柔性电子系统,具有透明、可扩展化、多功能化等特点,能定性定量感知外界物理刺激信号的变化,是实现机器人触觉功能的重要形式。总体来说,经过几年发展,具备高性能的触觉电子皮肤从无到有,有了长足的进步,已经显示出了重要的应用前景。然而大部分的研究集中在原理性的研究和低性能器件的演示,尚不能满足机器人对触觉传感的要求,无法实现真正的智能化应用。在本文中,我们针对压电式和压阻式触觉传感器存在的性能限制性问题设计构建了性能优越的新颖结构的场效应晶体管（FETs）增强压电触觉传感器和三维石墨烯互联微通道压阻传感器,并对其在柔性可穿戴信号监测等方面的应用进行了探索和研究。针对压电传感器灵敏度高且响应时间快但在微弱力刺激下传感器不敏感,输出信号很容易被外界噪声信号干扰的问题,我们借助压电电子学原理,通过对新型传感机制与传感材料设计的优化,包括用于电子皮肤的FET基本结构的设计构建、压电材料的力学采集优化、压电信号与FET器件的耦合等,建立高灵敏度触觉传感方法从而获得高性能的FET增强压电型压力传感器单元;为实现高性能、超薄、柔性压力传感器,将压电纳米柱阵列的压-电敏感特性与FET的放大作用结合起来,将压电纳米柱受压后产生的电荷注入FET半导体材料中,可以实现高灵敏度、高可靠性的压力传感器件。当传感器表面的柔性传感面受到压力作用时,PVDF压电纳米柱会产生内部极化电场,而内部电场的产生和消失会引起压电纳米柱端部电荷的吸附和释放,这种电荷作用或电场作用,会通过栅极耦合引发晶体管并五苯晶体管性能的变化,在源-漏电极之间可以测量出其变化量,而调节栅极电压可以实现对信号测量的放大作用。借此我们借助硅基器件通过施加不同质量砝码的力研究了压电晶体管的灵敏度、响应时间以及机械稳定性等重要性能指标。最后,将FET增强压电触觉传感器集成在PET基底上可以对手腕弯曲角度进行实时监测并呈现出良好的线性关系。本研究的开展将对我国触觉传感器的研究和发展,特别是实用化进程提供创新思路和新技术,将为我国的智能机器人发展起到重要的推动作用。FET压电式传感器在空间结构上由于器件的设计分布不容易实现高集成度,相比之下压阻式传感器制备结构简单更容易制备大面积的阵列矩阵。压阻式传感器活性层材料来源广泛,通过设计不同的微纳结构来增加电阻接触面积可以极大的提高器件的灵敏度,但微纳结构在合成和制备过程中形貌的不均一很容易导致器件的性质有很大的差距,如何改善这种差异性和形貌的不可控性是制备压阻传感器的重要课题。由于石墨烯材料合成方法多样且稳定,石墨烯及其衍生物具有优异的电子迁移率和抗拉伸特性,在可穿戴设备领域这种复合材料很适合应用于传感器来检测人体的生理活动。对此我们提出制备一种高灵敏应变和压力传感器的方法:以泡沫镍为牺牲模板、以PDMS聚合物为基材,构建了三维石墨烯互联微通道薄膜并在内壁组装金纳米颗粒提升器件的灵敏度。由于多层高质量石墨烯的高导电性和机械强度,以及金纳米颗粒对微通道的贡献,我们的器件表现出出色的压力和应变传感特性。在压力和应力作用下,石墨烯微通道的形变（接触或滑移）直接导致了器件电阻的急剧变化,在这种制备高性能压力和应变传感器的方法将为人工智能、医疗检测、可穿戴设备等领域提供技术支撑。最后,本论文关于新型高性能触觉传感器的探索和研究,为其在下一代可穿戴设备和电子皮肤领域的应用提供了重要的理论和实验基础。

关键词：电子皮肤;压电式传感器;压阻式传感器;场效应晶体管;三维石墨烯

学科专业：物理学

摘要

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 智能机器人电子皮肤概念的阐述

1.2.1 电子皮肤的定义

1.2.2 电子皮肤的发展

1.3 智能机器人电子皮肤的物理传导机制

1.3.1 压阻式触觉传感器

1.3.2 压容式触觉传感器