高回弹性压阻式薄膜压力传感器的研究进展

压阻式薄膜压力传感器作为薄膜压力传感器的重要分支,具有灵敏度高、响应快、弹性好等优点,如何同时实现高灵敏度、宽工作范围、快速响应和快速回弹是未来所面临的挑战,而新型材料、结构设计、传感器制备方式及动态特性建模是高回弹性传感器研制的关键。本文归纳了基底及活性层材料制备及其相应单一微结构、仿生结构、皱褶结构的设计,同时阐述了高回弹性压阻式薄膜的制备技术,总结了薄膜压力传感器动态建模和动态补偿的方法,最后对薄膜压力传感器发展中的新需求做了展望。

高灵敏度SiC动态高温压力传感器仿真研究

为了提高碳化硅(SiC)动态高温压力传感器的灵敏度,采用p型SiC材料,同时对传感器的敏感单元的不同结构———方膜和圆膜,利用Ansys软件进行了静力学仿真与分析,并完成了敏感芯片的尺寸设计。仿真结果表明:优化后的传感器输出灵敏度为14.2μV/(V·kPa)。在100~600℃内非线性误差小于1.53%。动态仿真表明:传感器的固有频率为481kHz,传感器可以在160kHz高频环境中安全工作,该结果为进一步制备SiC高温压力传感器奠定了理论支撑。

基于容性耦合的钢轨压力传感器电磁干扰分析

目前随着弱电装置在铁路通信、传感测量等方面的普及,电磁干扰问题越来越引起人们的重视,但是关于电磁干扰机理的耦合分析等方面的工作开展较少。本文针对一则典型的钢轨压力传感器电磁干扰问题,从干扰源排查入手,建立了电源线与信号线的容性耦合物理模型,提取线缆间分布电容参数,定量分析了耦合电场大小;同时找出干扰源,确定为电源线容性耦合导致的串扰电压干扰,给出了相应抑制干扰的措施,该分析与实测相符合。研究结果表明,接地装置对电源线地线的电磁干扰影响很大,从而进一步影响了信号线的信号电压。当接地电阻的埋入深度从0.1 m增加到0.6 m时,电源线的干扰电压得到了抑制;信号线的连接端头是容易耦合到外界电磁干扰的薄弱环节,是改善屏蔽效能的关键点。本文所提出的关于容性耦合的机理分析、计算方法、以及传感器信号的电磁干扰抑制措施,能够为今后电气设备的电磁干扰分析抑制提供普遍的借鉴意义。

高频动态压电式压力传感器结构设计与实验研究

针对激波压力信号快速测量需求的提升,提出了一种基于压电效应的高频动态激波压力传感器结构形式及测量原理。通过分析激波信号的时频特性,确定高频动态压电式压力传感器的性能需求;采用高频动态压电式压力传感器的测量原理,对提出的激波压力测量进行了分析;基于变形协调一致原则,建立了静力学和动力学模型,分析传感器结构参数对灵敏度和固有频率的影响规律;将优化后的传感器三维模型导入ANSYS中进行静力学、动力学和压电耦合分析,验证了传感器结构及其测量原理的可行性。通过准静态标定和动态标定实验,得到传感器的电压灵敏度、非线性度和固有频率等测量性能指标,实验结果表明:研制的高频动态压电式激波压力传感器样机具有高灵敏度3.19 mV/kPa、高固有频率特性95.625 Hz和短上升时间10.45μs特性,能够满足实际测试需求。

一次性压力传感器固定带在器官移植受体术后患者血流动力学监测中的应用

目的探讨一种新型的一次性压力传感器固定带在器官移植术后的患者中的应用效果。方法将2021年1—12月某院收治的154例器官移植受体术后患者作为研究对象。根据随机化入组原则分配样本,对照组采用传统胶布固定方法,试验组采用新型的一次性压力传感器固定带。比较两组校零次数、动脉导管意外滑脱例数、皮肤相关问题、固定装置移位、费用和使用前后医护、患者及家属的满意度等。结果试验组校零次数、动脉导管意外滑脱例数、固定装置移位例数、皮肤相关问题及费用均少于对照组(P<0.05),试验组医护、患者、家属满意度高于对照组(P<0.05)。结论将一次性压力传感器固定带应用于器官移植术后患者有创血压监测中可为临床护士提供准确有效的监测数据,减少了动脉导管意外滑脱的不良事件发生率,避免对患者的皮肤造成医疗器械性相关压力性损伤及医用黏胶性损伤,同时提高了护士的工作效率及医护、患者及家属的满意度。

基于智能化管理的压力传感器计量检测方法

由于压力传感器的计量检测数据处理工作量大、流程繁琐,提出一种基于智能化管理的压力传感器计量检测方法。首先以互联网为基础核心,构建计量检测智能化管理系统;去除被检压力传感器与压力标准器间的高度差,记录压力传感器的零点漂移;通过计算正、反行程的校准曲线与工作曲线,得到压力传感器的计量检测结果。通过检测实验证明,所提方法得出的压力传感器在不同温度点的正、反行程的3个循环测量值拟合度高,检测得出的压力传感器的灵敏度偏移与零点漂移极小,计量检测结果符合测试能力指数要求,具有非常高的检测精度。

无引线封装的SOI高温压力传感器设计

为解决高温环境下的压力监测问题,对无引线封装压力传感器进行了研究。首先,对高温压力敏感芯片进行设计,使用绝缘体上硅(SOI)材料提高了敏感芯片的高温稳定性;使用Ti⁃Pt⁃Au复合电极提高了金属电极与硅引线之间欧姆接触的可靠性。使用导电银浆实现敏感芯片电极和基座引脚的电连接,使用玻璃浆料实现芯片与基座的耐高温封装。利用同步热分析仪对导电银浆和玻璃浆料进行了DSC⁃TG同步分析,并借助扫描电镜对其微观形貌进行对比观察,确定其最佳烧结工艺曲线。对封装后的压力传感器进行测试,结果表明:传感器在25~300℃范围内具备优异的性能,综合精度可达0.25%FS。

基于磁控溅射技术的微结构柔性压力传感器

目前,探索制备流程简单、成本较低且性能优异的可穿戴应变传感器仍然是一个巨大的挑战。本文提出了使用模具成型法制备具有微观结构的传感器基底,并结合磁控溅射技术构造导电薄膜,制备出一种新型的柔性压力传感器。实验结果表明:这种方法有利于基底与导电材料的结合,使传感器具有更大的形变潜力。提高了传感器的灵敏度(0~500 Pa的灵敏度为2.37 kPa^(-1)),且具有迅速的响应恢复时间(约250 ms)、良好的耐久性(1000次循环试验)以及极低的最小响应限度(约1.5 Pa)。同时,该传感器能够用于进行人体状态监测,能检测出心跳、脉搏等微弱的生理信号,证明了该柔性压力传感器在智能可穿戴设备方面具有良好的应用前景。

基于高温压力传感器的耐高温金属体系

从制约高温压力传感器发展的耐高温金属体系研究出发,采用钨/氮化钽/铂(W/TaN/Pt)作为金属布线的电传导层,开发出适用于500 ℃高温环境下稳定工作的金属薄膜,实现电信号稳定传输,有效避免相邻金属层之间相互扩散或合金导致的电性能失效。对500 ℃高温前后的压力传感器进行带电测试,并对非线性、迟滞性、灵敏度、重复性等8项指标做了测试对比,高温压力传感器性能稳定,各性能指标均满足使用要求,证明该金属体系的可行性。

利用气体压力传感器改进二氧化硫性质实验

分析比较三版教材及相关文献中关于二氧化硫制取及其性质检验的内容,对现有实验存在的问题进行设计与改进。将注射器、医用输液袋和气体压力传感器等联合使用,实现气体制取、性质检验、气体收集及尾气处理等一体化实验设计,有效帮助学生构建“可逆反应”概念。改进后的实验具有操作方便、现象明显、绿色环保、便于理解等优点。

基于磁弹效应的电动舵机压力传感器设计

为了实现对电动舵机的电动缸输出轴压力的动态测量,该文设计并实现了一种基于磁弹效应的非接触式压力传感器,它包括传感器探头和信号处理电路两部分。该文首先从磁致伸缩的理论模型中分析并建立了传感器的测量原理,设计了传感器探头的结构。为优化激励源,通过实验研究分析了不同的激励源对传感器信号的影响,结果表明采用105 kHz、幅值为5 V的方波作为激励源时传感器输出信号最优,并以此设计了传感器信号电路。通过对传感器整体的压力标定实验得到传感器灵敏度为0.294 mV/N,重复性误差为3.53%,在运用三阶多项式拟合对传感器输入输出曲线进行校正后得到传感器的非线性误差为1.76%,适用于承压较大的电动缸输出轴及其他大重量设备的动态压力测量。

智能可穿戴柔性压力传感器的研究进展

柔性压力传感器可以附着在人体皮肤感知外界压力信号,且具有传感范围广、响应时间短、灵敏度和耐久性高等特点,因此被广泛应用于电子皮肤和人机交互等领域。柔性压力传感器通常由柔性基底、活性材料、导电电极组成。其中,一种或多种活性材料通过与柔性基底复合形成传感材料,其受外界刺激产生的变形会引起阻值等变化,进而实现传感功能。此外,通过引入微结构可增加传感材料的可压缩性以及对微小压力的敏感度,提升传感性能。本文围绕薄膜和织物两类基底,综述了在其中掺杂碳基、金属基与黑磷基等活性材料的柔性压力传感器的研究,重点论述了不同传感器的制备方法、机电性能与应用场景,总结了各类传感器的优缺点。在此基础上,对未来智能可穿戴柔性压力传感器如何实现宽范围压力检测、商业化以及制作流程无毒化与长时期生物相容性实验等方面的研究做出了展望。

蚕丝基柔性压力传感器的制备及其性能研究

蚕丝具有优异的生物相容性、可降解性和易加工性等,是应用于柔性电子领域的理想柔性基底材料。本文通过气液界面聚合法,在蚕丝织物、平板丝和静电纺丝素膜三种蚕丝材料表面实现聚苯胺的原位生长,成功制备出以聚苯胺为活性导电介质的柔性基材,并将其组装成柔性压阻式压力传感器,这为开发高性能、安全可靠和轻质便携的可穿戴电子产品提供新的方法和途径。结果表明:三种蚕丝基柔性压力传感器中,蚕丝织物聚苯胺传感器具有最大的压力检测范围(16.27~504.79 kPa),拉伸变形可达20%,灵敏度仅为0.00129 kPa^(-1);静电纺丝素膜聚苯胺传感器灵敏度最高(0.01376 kPa^(-1)),但拉伸变形能力差,仅可拉伸2.3%;平板丝聚苯胺传感器压力检测灵敏度略高于蚕丝织物聚苯胺传感器,达到0.00134 kPa^(-1),线性检测范围为9.8~87.6 kPa。本文研究开发的蚕丝基柔性压力传感器在运动检测领域具有较好的应用前景。

全纳米纤维离电式柔性压力传感器的制备及性能研究

为解决传统的电容式压力传感器灵敏度低的问题,基于聚丁二酸丁二醇酯对苯二甲酸丁二醇酯(PBST)和离子液体(ILs),采用静电纺丝技术制备离子介电层(ILs/PBST),并利用离电式压力传感机制开发了一种灵敏、透气的全纳米纤维离电式柔性压力传感器。该器件具有超高灵敏度(902.4 kPa-1,0~6 kPa)和快速响应/恢复时间(147 ms/147 ms),能够快速稳定地监测多种人体运动及生理信号。此外,三维多孔纳米纤维网络赋予其良好的透气性,确保其长期佩戴的舒适性,该器件有望应用在智能医疗领域。

柔性电容式压力传感器性能优化的研究进展

柔性电容式压力传感器具有低能耗、高灵敏度、高稳定性等优点,在可穿戴设备、电子皮肤等柔性电子领域受到广泛关注。概述了以复合介电层和微结构设计为代表的柔性电容式压力传感器灵敏度提升方法,并介绍了柔性电容式压力传感器在追求高灵敏度和宽检测范围方面通常采用的多级复合结构、复合机制和混合响应策略,最后对柔性电容式压力传感器发展趋势进行了展望。

集成式陶瓷压力传感器结构设计与测试分析

本文设计并制备了一种集成式陶瓷压力传感器。首先基于电容式压力传感器工作原理和薄板变形理论,对传感器敏感结构进行建模和仿真分析。将设计的信号调理电路集成在印刷电路板(PCB)上,PCB通过导电结构PIN针与敏感结构紧贴在一起,采用压缩弹簧实现针脚连接。同时设计了传感器敏感结构工艺制备流程,并对封装后的传感器进行研究分析。测试结果表明:传感器在0~1.4 MPa量程内,常温下其灵敏度达到0.571 V/V/MPa,非线性度小于0.325%FS,在-40~150℃温度范围内,整体测量误差精度为±0.245%RH,传感器在振动和冲击的环境中工作稳定。

二维过渡金属碳/氮化合物基柔性纺织压力传感器的研究进展

二维过渡金属碳/氮化合物(MXene)具有二维层状结构、高导电性、亲水性和高比表面积等独特的优势,为挖掘其在柔性纺织压力传感器上的应用价值,对近几年基于MXene材料所制备的柔性纺织压力传感器的研究和发展现状及应用进行了综述。介绍了MXene材料的性能和主要制备方法即氢氟酸刻蚀法、原位形成氢氟酸刻蚀法、熔融盐刻蚀法、浓碱法、溶液相絮凝法、电化学法和水热法;分析了MXene材料在压阻式、电容式、压电式以及摩擦电式压力传感器中的主要作用机制,且对其性能和应用领域进行分类与探讨,包括健康和运动监测、人机交互以及基于集成阵列的空间压力映射领域等;同时根据MXene材料优异的性能,展望了其在柔性纺织压力传感器中的应用前景。

变化蜂巢织物基压力传感器的制备及性能研究

为改善织物基柔性压力传感器的灵敏度、响应性和稳定性,通过机织结构设计将微结构引入棉织物中,织造了具有圆顶形微表面结构的变化蜂巢组织织物。以变化蜂巢织物、炭黑(CB)和聚乙烯醇(PVA)为原料,采用浸烘法制备了不同的传感织物。测试了炭黑质量分数与传感器电阻的关系,并对制备的传感器结构形貌和力学传感性能进行表征,探讨其在人体运动监测中的应用。结果表明:在炭黑质量分数为5%时,传感器电阻降至20 kΩ/cm,制备的传感器具有较高的灵敏度,较小的迟滞性,在不同压力和压缩速率条件下均能保持良好的稳定性、重复性及耐用性。认为:制备的传感器可以应用于人体运动监测,包括手指按压、指关节、手腕和肘关节弯曲运动等。

碳化硅压力传感器欧姆接触电阻率的测量方法

鉴于碳化硅离子扩散系数低、杂质离化能高,难以形成可靠的欧姆接触,为了解决碳化硅压力传感器芯片的高温欧姆接触可靠性问题,对其电阻率测量问题进行探讨。通过对T-LTM测试原理的介绍与分析,结合芯片生产工艺流程,制备Ni/Au电极与N型碳化硅的T-LTM测试图形,在氮气氛围下进行了700℃和1000℃的合金实验。最终实验结果显示合金温度对I-V线性关系的显著影响,结合T-LTM测试分析,测定接触电阻率值,验证是否形成良好的欧姆接触。该研究为碳化硅压阻式高温压力传感器的开发提供了技术参考。

基于家蚕平板丝结构的柔性压力传感器制备及其传感性能

为获得基于天然平板丝结构的柔性压力传感器,以家蚕平板丝为柔性基底,在家蚕吐丝过程中循环喷洒过渡金属碳化物/氮化物和银纳米线作为导电材料,制备出具有天然多层结构的导电传感层复合材料。借助扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱仪对制备的平板丝传感层进行形貌观察和结构分析,并通过优化传感层的层数开发出性能更优异的传感器。结果表明:具有2层传感层的传感器的灵敏度最高,在42.03~60.00 kPa的高压范围内灵敏度可达0.20 kPa^(-1),比仅有1层传感层的传感器灵敏度提高了20倍;该传感器响应/恢复时间均在1 s以内,且在施加不同压缩速率时仍能保持电流值稳定,可准确响应动态变化的压力,在超过1500次压力加载/卸载循环后传感性能依旧保持稳定;该传感器可很好地贴附到人体关节表面用于监测人体运动状态,通过按压时间长短来模拟摩斯密码,可用于信息加密传输和困境救援;将传感器制成传感阵列,可应用于压力位置轨迹追踪。