硫化锌电致发光材料在智能可穿戴领域研究进展

近年来,伴随着柔性电子产业的快速发展,发光显示作为可穿戴集成器件中必不可少的组成部分,人们对其提出了柔性、可拉伸性、自愈合性等额外的需求。基于硫化锌材料的电致发光器件由于发光寿命长、发光组件结构简单等优点,在智能可穿戴领域得到了广泛的研究和关注。本文对硫化锌电致发光材料在智能可穿戴领域的研究进展进行梳理和总结,主要介绍了硫化锌电致发光材料的发光机理、研究热点及未来应用,以期对智能可穿戴领域起到有益的启示和指导作用。     

可穿戴式无线脉搏监测系统前端设计

针对中老年人慢性心血管疾病在预防和救助中存在的问题,结合PVDF压电薄膜传感器、GPS、GPRS技术和MSP430单片机,设计了一种低功耗可穿戴式远程脉搏监测系统;介绍了系统的结构功能、硬件设计以及无线通信方式,并针对脉搏信号的实际特征与干扰情况,综合考虑系统对功耗和体积的要求,提出了相应的硬件解决方案;实验结果表明,该监测系统抗干扰能力强,能够准确地获取完整的脉搏波形,具有较好的应用前景。     

可穿戴式空气质量监测产品的设计与实现

空气环境质量日益恶化及其危害引起了人们对它的高度重视,为了使人们充分了解自身所处环境的空气质量,本文设计并实现了一款便携式空气质量检测装置。本设计利用模块进行搭建构成了系统的硬件部分,系统由低成本、低功耗、高性能的STM32主控芯片与两种空气质量检测传感器等构建而成。具备传统运动手环及传统的监测设备的功能,可以检测CO、甲醛等空气质量数据。本设计尺寸较小,能耗低,使用简单,运行稳定,可由个人穿戴使用,能实时监测空气质量。     

静电式同位素辐射能量收集器的研究

针对目前无线传感网络节点对长寿命微能源的需求,提出了将同位素辐射能量转换为电能的静电式振动能量收集原理.该原理利用同位素63Niβ辐射能实现平行板悬浮-质量块结构的自由阻尼振动,并通过可变电容电路实现充-放电振荡循环,从而实现电能的转换.通过分析运动状态和能量转化过程,给出了结构的运动状态和能量输出方程,并使用Matlab/Simulink对输出特性进行了数值模拟和基于Ansys的结构优化设计.根据仿真和优化的结构尺寸设计出了满足最大平均输出功率的微电子机械器件结构.结果表明:所设计的结构在一阶固有频率为500 Hz,两极板间距离为75μm,外接电阻为90 k?时平均输出功率最大为0.416μW,转化效率8.25%.     

非线性磁式压电振动能量采集系统建模与分析

为便于评价、优化磁式压电振动能量采集系统的性能,系统研究了该类系统的建模与分析方法,建立了非线性的分布参数模型用于描述系统的非线性动力学行为,并采用谐波平衡法给出了谐波响应的解析解.随后利用仿真模型分析了磁铁间距、加速度幅值、负载阻抗对输出功率的影响,比较了不同激励频率和加速度幅值下的最优阻抗.结果表明:双稳态特性适用于低强度的振动环境,且愈接近临界区域,输出功率愈高,而单稳态渐硬特性适用于高强度振动环境,其最优间距并不靠近临界区域;阱间大幅运动和阱内小幅运动均存在高低能量态共存的现象,愈接近临界区域,现象愈明显;激振频率是影响最优负载阻抗的决定性因素.     

交联聚丙烯压电驻极体的压电性能及振动能量采集研究

以电子束辐照交联聚丙烯(IXPP)泡沫薄板为原材料, 首先利用热压工艺对微观结构进行改性, 然后采用电晕充电方法对样品实施极化处理, 使之具有压电效应, 成为压电驻极体. 通过准静态和动态压电系数d₃₃、复电容谱, 以及等温衰减的测量, 研究了IXPP压电驻极体膜的机电耦合性能; 同时考察了基于IXPP压电驻极体膜的振动能量采集器在{3-3}模式下对环境振动能的俘获. 结果表明, IXPP压电驻极体的准静态压电系数d₃₃可高达620 pC/N; 厚度方向的杨氏模量和品质因数(FOM, d₃₃·g₃₃)分别是0.7 MPa和11.2 GPa^-1; 在50, 70和90℃下进行等温老化, 经过24 h后, IXPP压电驻极体膜的准静态压电系数d₃₃分别降低到初始值的54%, 43%和29%; 采用面积为3.14 cm²的IXPP压电驻极体膜为换能元件, 当振子质量为25.6 g, 振动频率为820 Hz时, 振动能量采集器在匹配负载附近可以输出高达65 μW/g²的功率.     

可穿戴超声系统的研究进展*

近年来伴随着移动医疗的兴起,以及新材料、集成电路、人工智能领域的不断进步,可穿戴设备在医疗领域得到了迅猛的发展。超声技术作为一种快速、简便和安全的诊疗工具,自诞生之日起就在医疗领域有着众多应用。可穿戴超声系统综合了可穿戴设备和超声技术的优点,有着巨大的发展空间。本文概述了可穿戴超声系统的发展背景和系统组成,着重介绍了近些年来可穿戴超声系统在医疗监测和治疗领域的应用成果,并对可穿戴超声系统的发展前景进行了展望。     

蚕丝基可穿戴传感器的研究进展

近年来,可穿戴电子产品得到了广泛的研究,为健康监测、人类疾病诊断和治疗以及智能机器人提供了新的机会.传感器是可穿戴电子产品的关键组成部分之一.蚕丝(bombyx mori)材料具有高产量、优异的拉伸强度(0.5—1.3 GPa)和韧性(6×104—16×104 J/kg)、良好的生物相容性、可降解性以及易加工性等特征.随着生物材料和相关制造技术的快速发展,蚕丝基先进材料被研究应用在可穿戴传感器中.本文首先介绍了蚕丝自下而上的层结构以及蚕丝基先进材料的形态和特点,随后综述了近年来蚕丝在可穿戴传感领域的研究进展,包括机械(应力、应变)传感器、电生理传感器、温度传感器及湿度传感器等.讨论和总结了不同传感器的工作机制、结构和性能,蚕丝蛋白在其中的作用以及它们在健康监测中的应用.最后,提出蚕丝基可穿戴传感器在实际应用中所面临的挑战和未来展望.     

士兵可穿戴下肢外骨骼机器人多元感知方法研究

下肢外骨骼机器人是一种可穿戴且融合了多种机器人技术的复杂人-机系统。它将人类的智慧与机器人强壮的能力有效地结合起来,最大限度地提高人体的机动力和耐力,这为提升单兵作战系统的能力创造了条件。鉴于下肢外骨骼机器人在作战、后勤保障时可能遇到的复杂地形、多变随机的任务等,仅通过基于既定的典型步态规划程序驱动执行已知的特定动作,难以保证人机间的耦合性和动作的高随意性切换。为此,模拟并提炼出士兵常见的六种下肢动作作为后续研究,然后分析了下肢外骨骼机器人的感知控制原理,并提出了基于脑电预判感知、肌电精确感知和光纤实时校正的多信息融合的感知方法,强调将人的智能参与到机器人控制中,以期推进士兵可穿戴下肢外骨骼机器人的实用化。     

可穿戴下肢外骨骼足底压力检测系统设计与研究

可穿戴下肢外骨骼能够柔性跟随人体运动的前提是足底压力检测数据符合人体步态特征,因此研究外骨骼足底压力检测系统具有重要意义。针对现有穿戴式下肢外骨骼系统压力传感器输入输出存在非线性误差,不能准确检测足底压力变化的缺点,选择电阻式压力传感器,通过理论计算确定曲线拟合方法可行性,并将曲线拟合方法引入足底压力检测系统设计中。研究结果表明,该方式采集数据特征明显,曲线拟合的系统线性度较小,可靠性高,适用足底压力检测系统。     

基于压电驻极体的微能量采集

综述了以压电驻极体换能器为核心部件的微能量采集研究,包括压电驻极体的基本物理原理和性能特点,以及该材料在微能量采集领域的应用研究.压电驻极体是具有微孔结构的驻极体材料,其压电效应是基体聚合物的驻极体性能和材料微孔机械结构协同作用的结果,是一类新型人工微结构柔性机电耦合材料.压电驻极体以强压电效应、柔韧、低密度、低声阻抗、薄膜型等为特征,是制备轻量化柔性传感器和机械能量采集器的理想换能材料.压电驻极体已被应用于振动能量采集器、人体运动能量采集器、以及声能采集器的研究中.根据压电驻极体膜受力方向的不同,可以将能量采集器的工作模式分为33模式和31模式两种.本文对基于压电驻极体的三类能量采集器的研究状况进行综述,并讨论未来的发展方向.     

基于光子集成芯片的可穿戴光纤光栅解调研究

为了实现光纤光栅传感器在可穿戴系统中的应用,提出了一种基于硅基光子集成芯片的可穿戴光纤光栅传感解调系统。基于比利时iSiPP50G工艺的光子集成芯片由4×1长波长VCSEL阵列、1×8阵列波导光栅、2×2 MMI耦合器、4×1光纤光栅耦合器阵列、Ge-on-Si波导光电探测器、直波导和弯曲波导等组成。在完成对VCSEL光源金线键合和光子集成芯片光纤耦合封装的基础上,设计了手环式解调电路,对人体温度和心音信号进行了实时测量。实验结果表明:解调系统的动态波长检测范围为1 540 nm～1 560 nm,波长分辨率为0.08 pm,解调精度为5 pm,温度监测范围为35℃～42℃,误差为±0.1℃;可检测50 Hz～100 Hz频率范围内的心音信号,可识别出第一心音和第二心音,并计算出心动周期、心率、第一心音时限、第二心音时限和心力等特征参数。     

弹性支撑双稳压电悬臂梁振动响应及能量采集研究

在分析了常规刚性支撑非线性能量采集系统的研究基础上,提出外部磁铁弹性支撑的结构设想,保证系统在低强度激励条件下也能处于双稳态振荡,提高机电能量转换效率.研究表明,对于强度变化的随机激励历程,弹性支撑非线性能量采集系统不需要实时调整磁铁间距,能够更好地迎合强度时刻变化的随机激励源,实现高效的机电能量转换.     

基于涡激振动的压电能量收集特性数值研究

本文设计了一种基于涡激振动的流体动能收集装置。该器件主要包括钝体和PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电悬臂梁,涡街的交替脱落引起梁发生振动,通过压电效应将振动能量转为电能.基于流固耦合计算对该结构压电能量收集特性,以及压电悬臂梁的升阻力系数、振幅和频率等特性进行了数值分析,并着重研究圆柱型钝体与PVDF压电悬臂梁的位置对装置发电效率的影响。结果表明,圆柱与悬臂梁直接相连(即L=0.5D)会得到较高电压输出,在雷诺数Re=6000时,振幅峰值为A=0.97D,输出电压峰值达到0.923V。     

基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件

随着电子器件向着小型化、功能化的方向迈进,可穿戴电子器件受到越来越多的关注,但是可穿戴电子器件的能源供给问题目前仍亟待解决.基于摩擦起电与静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机具有成本低、选材广、柔性等特点,可以收集人体的低频、不规律能量并高效地转化为电能,在可穿戴带能源器件领域有着巨大的发展潜力.本文将首先介绍摩擦纳米发电机的四种基本工作模式以及摩擦起电机理的最新研究,然后从贴敷于人体皮肤的直接式能源收集与附着于衣物、鞋子等人体附属物的间接式能源收集两个部分详细综述基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件的研究进展.最后,对用于驱动电子器件的能量管理模块进行系统介绍,分析讨论目前可穿戴能源器件发展中的问题和瓶颈,探讨未来的发展方向.     

基于压电聚合物薄膜可调谐Fabry-Perot滤波器的研究

采用DBR/电极/间隔层/电极/DBR的结构形式制作滤波器,器件透光部分刻蚀以消除电光效应.测试滤波器透过率光谱,并通过加电压对滤波器中心波长进行调制.据实际结果得到腔的光学厚度为8.04μm,腔长在电场作用下收缩.在140V电压下,腔长收缩量约为0.757%.实验证明电致伸缩效应在调制中起作用.     

高振幅夹心式压电换能器

用一维理论分析了由n个元件组成的压电换能器,用传输矩阵方法编程计算了换能器两端面的位移振幅比为最大时的最佳长度比,并作实验验证。实验和理论计算结果基本符合。     

同步辐射中双压电片反射镜的研究现状

反射镜是同步辐射光束线中应用广泛的光学元件之一,双压电片反射镜由于具有结构简单、面形能动以及自适应可调等优点,逐渐引起同步辐射界的重视.本文综述了同步辐射中双压电片反射镜的研究现状.主要讨论了双压电片反射镜的工作原理和研究概况,包括在几个大型同步辐射装置中的结构特点、制备技术及面形校正结果等;简要介绍了双压电片反射镜面形校正时所采用的反射波前探测技术和反馈控制算法;最后总结了其发展中存在的关键问题,并展望了其未来的发展方向.     

基于原子磁力计的穿戴式脑磁图动态测量研究

脑磁图作为一种无创的脑功能成像技术,依靠超高的时间及空间溯源分辨率,在脑科学研究和临床应用领域中有着极其重要的价值．本文介绍了自主搭建的基于原子磁力计的穿戴式脑磁图系统,通过设计匀场补偿线圈组并结合参考传感器阵列,实现被试头部运动区域内剩磁在±1nT以内,保证动态测量过程中传感器输出维持在动态范围以内;同时提出了一种虚拟合成梯度去噪方法,显著抑制了环境共模噪声;最终在被试者头部自然运动状态下,成功检测到高信噪比的α节律信号与听觉诱发磁场信号,证实了该系统的有效性,为穿戴式脑磁图应用推广提供更多的可能性．