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。

基于刮涂微结构的柔性电容式触觉传感器特性研究

性能优异、持久耐用、制备效率高且成本低的柔性触觉传感器是智能电子皮肤、人机交互、医疗保健的迫切需求。大多数微结构电容式触觉传感器需要洁净室微制造,增加了制作过程的复杂性及制作成本。本文介绍了一种新型且简易有效的方法,通过简单的工具在聚偏氟乙烯—六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)离子凝胶膜表面大面积制作不同尺寸的微结构,并对其传感特性进行了测试和比较。实验表明:传感器在1.2kPa的压力范围内具有灵敏度高(46.8kPa-1)、检测限低(16Pa)、响应速度快(20ms)等综合性优势;经过6000次高压力循环加载后,不偏离初始性能,表现出极强的鲁棒性以及实用性。本文提出的方法可以显著提高传感器的制备效率和整体性能,同时降低制备过程的资金和时间成本。

具有多孔双微结构层的柔性电容式压力传感器

电极和介电层的材料性能和表面结构是决定柔性电容式压力传感器性能的关键因素。将碳纳米管(CNT)与硅橡胶结合制备出拉伸性能优良的斜线型微结构电极层。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)/BaTiO_(3)/SrTiO_(3)复合材料制备多孔砂纸微结构介电层。电极与介电层交界面构成双重微结构以提升电荷携带能力。场发射扫描电子显微镜与光学显微镜观测结果验证了上述微结构的存在。基于电容模型的分析表明,传感器灵敏度主要取决于多孔介电层的形变量。所制备的多孔双微结构层柔性电容式压力传感器最高灵敏度为2.681 kPa^(-1),在3~5 kPa的压力区间仍具有0.412 kPa^(-1)的灵敏度,响应时间和释放时间分别约为39和61 ms。该传感器能够检测出吞咽时咽部运动的微小压力,实验中测得的最小电容变化率为0.13%,能够识别0.53 Pa的微小压力,具有较低的检测限。进行6000次以上的压缩循环测试后,传感器加载-卸载曲线重合性好,同时对不同频率压力的响应良好,验证了传感器良好的可重复性。总之,所提出的传感器具有良好的压力感知性能,在生理信号监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。

基于热压转印织布微结构制备高性能电纺TPU纤维膜压阻传感器

为了提升柔性应变传感器的传感响应及稳定性,提出了一种热压转印策略,即分别将石墨烯(Gr)、聚苯胺(PANI)及Gr协同PANI负载于电纺热塑性聚氨酯(TPU)纤维膜,然后采用热压转印技术将一种商用织布的表面微结构转印至电纺TPU纤维膜表面,最后将其组装成一系列具有表面和内部双重微结构的柔性压阻传感器。通过系统研究填料种类、热压时间对器件性能的影响,获得了传感性能优异的Gr/PANI-TPU(MGPT)传感器,MGPT传感器相对其他2种纤维膜传感器,具有较宽的响应速率范围(1~1000 mm·min^(-1))、较高的灵敏度(0~6 kPa,灵敏度高达0.143 kPa^(-1))。该传感器还具有较快的响应时间(153 ms)和恢复时间(106 ms),以及优异的耐久性(1000次循环加载-卸载),且在人体应用中表现出良好的动作监测能力。

基于双面多级微结构的柔性电容式压力传感器

柔性压力传感器作为可穿戴智能设备的重要组成部分,在人体行为监测、电子皮肤系统等方面有广泛的应用。为了进一步利用微结构对柔性传感器灵敏度的提升效果,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)与碳黑(CB)、多壁碳纳米管(MWCNTs)混合成导电材料并复制砂纸表面微结构作为上下电极层,用PDMS复制弧形凸起和砂纸微结构组成双面微结构介电层,设计成基于双面多级微结构的柔性电容式压力传感器。两种微结构的组合使得传感器的性能有了明显的提高,具有高的灵敏度(1.2875 kPa^(-1),<0.1 kPa),宽的检测范围(可达100 kPa),快的响应时间(80 ms),并保持良好的重复稳定性。结果表明:该传感器能够在人体行为监测以及其他应用方面发挥理想的性能。

基于非均匀分布微结构的柔性压力传感器性能调控

[目的]为了适应柔性压力传感器面向特定应用的定制化设计需求,提出一种基于非均匀分布微结构的电容式柔性压力传感器,开展传感器性能调控研究.[方法]首先,基于敏感层微结构非均匀分布方式,提出一种灵敏度预测模型,并通过与实际测试结果的对比分析,验证模型的正确性.其次,研究当介电层微结构为微圆台时,不同微圆台顶面半径、高度、底面半径等几何参数以及次级微结构对传感器灵敏度和线性范围的影响.最后,基于该调控方法制备了综合性能良好的多级非均匀微结构分布的柔性压力传感器,进行性能测试与应用测试.[结果]非均匀分布微结构柔性压力传感器的灵敏度与微结构的分布及几何参数密切相关.通过对微结构分布的调控可筛选出具有最优灵敏度的传感器,对敏感层微结构几何参数的调控可实现对柔性压力传感器性能的调控.[结论]该性能调控方法对面向特定应用的传感器定制化设计具有一定的指导价值.

基于金字塔微结构阵列的超灵敏压力传感器

随着可穿戴电子产品的快速发展,柔性压力传感器因其在健康监测、人机界面和智能机器人方面的应用前景而受到极大的关注。在宽响应范围内的高灵敏度是为各种可穿戴场景制造可靠压力传感器的关键要求。其中以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为主体材料的柔性压阻式传感器的发展十分迅速。本文以表面含有金字塔微结构阵列的PDMS作为传感器的基底,通过喷涂法将碳纳米管(CNT)墨水均匀喷涂在PDMS金字塔表面作为灵敏的导电网络,制备了一种具有宽检测范围的超高灵敏度的柔性压力传感器。在0~60 kPa压强范围内,该传感器的灵敏度可达680 kPa-1,并且具有较低的迟滞性、较快的响应时间和恢复时间,以及较好的重复性和稳定性,可以实时监测脉搏的振动;还可以成功监测人体的生理信号和压力分布,显示出在可穿戴设备领域的广阔应用前景。

微结构传感器的激光制造技术研究进展

微结构传感器是具有以微尺度结构作为敏感单元,能将外界物理、化学、生物信号转化为电信号的传感器,已广泛应用于智能机器人、健康监控、虚拟电子等领域。目前,微结构传感器的制造方法主要有激光制造技术、MEMS技术和3D打印技术等。激光制造技术是将高能光子束聚焦到被加工物上,使激光与物质相互作用的一种绿色加工方法,主要包括激光烧蚀、激光直写、激光诱导和激光-倒模复合加工等,具有非接触式加工、无掩膜版、可定制化制造等优势,通过优化激光加工工艺参数,可以实现不同尺寸和形状微结构的高效低成本制造。本文对微结构的类型、功能及制造技术进行了概述,同时对激光制造技术制备的微结构传感器进行了归纳分类,详细分析了生物电传感器、温度传感器以及压力传感器的制造技术及应用,最后对微结构传感器激光制造技术的发展趋势进行了总结与展望。

基于光纤湿度传感器的湿度监测系统

尿不湿侧漏、回渗影响用户健康,通过肉眼观察尿显和触摸的监测手段具有明显的迟滞性。基于此设计了一种光纤湿度传感器的湿度监测系统实现尿不湿侧漏、回渗情况的监测,通过改进传感器减少压力对监测准确性的影响,使用COMSOL软件进行仿真实验。实验结果表明,压力为0~60 KN时,光纤湿度传感器波长未明显偏移,监测系统对压力不敏感;在相对湿度为10%RH~60%RH时,波长和相对湿度近乎呈线性分布,且重复性好,监测系统能够有效监测相对湿度的轻微波动。

基于仿生微结构的高性能柔性压力传感器

柔性压阻式压力传感器可用于对人体姿态变化进行准确的检测。设计了一种新型柔性压阻式压力传感器。采用了聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底、石墨烯油墨等材料对传感器进行了制备,阐述了制备的具体过程。然后,针对传感器的表面形貌和性能进行了测试分析,结果显示可以达到较高的检测范围12.8 Pa~25 kPa和灵敏度1.77 kPa^(-1)。另外,响应速率为26 ms;循环压力测试下保持了较高的稳定性,通过对人体腕部以及手指弯曲的检测也验证了其应用的效果。

温湿度传感器相对湿度示值误差测量结果的不确定度评定

依据JJF 1076-2001《湿度传感器校准规范》,以二级分流式湿度发生器、精密露点仪、精密露点仪温度传感器为标准器,以VAISALA的HM70型手持式温湿度传感器为研究对象,开展温湿度传感器相对湿度示值误差的试验研究,给出其测量结果的不确定度评定方法和步骤。在相对湿度10%RH^90%RH时,HM70温湿度传感器测量结果的扩展不确定度为1.2%RH^1.7%RH(k=2)。

采用IC传感器的相对湿度测量

在比较各种相对湿度测量方法及传感器的基础上，结合实例介绍了集成湿度传感器的特性及使用方法，指出使用条件的影响因素及补偿途径，给出了带有温度效应补偿作用的相对湿度检测具体实现线路，并提供了检测软件计算的具体表达式，分段实施的对比实验结果，以及检测过程的外界条件限制。

一种船用气象要素相对湿度传感器

针对陆地用气象要素相对湿度传感器难以适应海洋高湿、高盐雾、高腐蚀环境的问题,研制了一船用气象要素相对湿度传感器。采用高精度湿敏元件,设计出频率发生电路,将空气相对湿度的变化量转换为频率信号;通过设计的频率电压转换电路将频率信号转换为电压信号;设计的线性化调理电路将变化的电压信号进行线性化处理,使电压的变化能够线性化地对应于空气相对湿度的变化。通过特殊结构和可靠性设计,满足了气象要素相对湿度传感器的海洋环境适应性。测试结果表明:研制的船用气象要素相对湿度传感器测量精度高、线性化好,能够适应于海洋环境。

基于微结构导电薄膜的柔性压力传感器

针对柔性压力传感器中刚性导电材料和柔性基材之间结合界面较弱,易出现开裂和脱落的问题,通过将导电材料嵌入聚合物表面,实现了两者的稳定连接,并制备了具有微观结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性导电薄膜,然后通过面对面组装的方式完成了柔性压力传感器的制备。结果表明:表面嵌入导电材料的柔性薄膜性能稳定,在多次试验后,未出现裂纹或脱落的现象;与文献中报道的常规方法相比,具有工艺简单,结合界面稳定的优点。制备的柔性压力传感器在0~1 kPa范围内,具有高灵敏度(0.34 kPa^(-1))和快速响应(<200 ms),可准确检测到手指触摸时的微小压力。因此有望应用于柔性机器人触觉和人机交互界面等领域。

双级微结构对柔性压力传感器性能的提升

以2种不同的模板设计方案,采用注射压缩成型制备单级和双级微柱阵列的热塑性聚氨酯柔性薄片,经裁剪、喷金后得到微结构柔性传感基片。将单级和双级微结构柔性传感基片分别与平整柔性传感基片面对面封装成柔性压力传感器1和传感器2。模拟结果表明,受压后微柱顶面上边缘区域接触应力较大。单级和双级微柱受压后纵截面分别呈“碗”和“花苞”状结构;双级微柱在较小压力作用下即可发生形变,且其受压后与平整传感基片的接触形变和接触面积较大。因此,相比传感器1,传感器2具有较高灵敏度(0.53 kPa-1,0~1 kPa)、较短响应时间/松弛时间(100 ms/80 ms)和较低检测限(约58 Pa)。微柱较高的耐压性使传感器2具有较宽的检测范围(0.058~600 kPa),能在4000次的循环压缩/释放测试(峰值压力约500 kPa)中保持较稳定的压阻响应。传感器2可准确检测人体脉搏、发声和运动,表明其具有应用于智能可穿戴领域的潜能。

埋入式数字传感器测量混凝土相对湿度新方法

相对湿度是决定混凝土诸多性能劣化进程和耐久性的重要参数,快速、准确的测量混凝土内部的相对湿度一直是试验上的一个难点。在分析总结传统插入探头测湿法不足的基础上,基于新型温湿度一体数字传感器,开发埋入式混凝土测湿新方法,该法具有体积小、自动、准确、快速、高效等特点。应用新方法测试C30普通混凝土和C60高性能混凝土在干燥收缩条件下早期相对湿度随龄期的变化,揭示其3阶段发展规律。

基于PDMS微结构介质层的柔性电容式压力传感器

近年来,为了满足人工智能、物联网和可穿戴设备的发展需求,高灵敏度、低成本的柔性压力传感器的设计和制备引起了研究人员的广泛关注.本文以聚二甲基硅氧烷(PDMS)四棱柱微结构薄膜作为传感器的介质层,以银纳米线-聚对苯二甲酸乙二醇酯(AgNW-PET)透明导电膜作为传感器的上下电极层,制备了一种具有“三明治”结构的柔性电容式压力传感器.采用压力装置以及电容采集装置对传感器的性能进行测试.测试结果表明,在0~0.18 kPa压强范围内,该传感器的灵敏度可达0.63 kPa^(-1),并且具有较低的迟滞性,较快的响应时间和恢复时间,以及较好的重复性和稳定性,能检测到0.73 Pa的微小压力.最后,展示了传感器在接触检测和接近感应中的应用.

采用IC传感器的相对湿度测量

本文在比较各种相对湿度测量方法及传感器的基础上，结合实例介绍了集成湿度传感器的特性及使用方法，指出使用条件的影响因素及补偿措施，给出了带有温度效应补偿作用的相对湿度检测线路，并提供了检测软件计算的具体表达式，分段实施的对比实验结果，以及检测过程的外界条件限制。

一种电容式相对湿度传感器的应用

介绍了相对湿度传感器HS1100/1101的特点、特征参数及其与555定时器构成的无稳态振荡电路;在特定电路参数下,通过多次实验测量,分析空气中的相对湿度与电路输出频率的关系,最后给出湿度测量子程序的流程图。

基于微结构的柔性电容式压力传感器设计与仿真研究

柔性压力传感器在工业生产中是非常重要的,并且在科技水平高速发展的背景下,柔性压力传感器的使用范围会不断扩大,然而柔性传感器在使用过程中具有加工工艺复杂和结构等相关问题的存在,需要在提高传感器性能指标的基础上,降低柔性传感器的制作成本,优化制作工艺流程。通常情况下,传感器的结构会采用三明治结构。在微结构研究的基础上,柔性传感器在受到压力时会容易发生形变,因此传感器的灵敏度会得到有效增强,通过对棱椎体微结构的仿真研究,可以看出在压力作用下,采用微结构能够使传感器的变形量会逐渐增强,依靠这种方法制造出的传感器成本低,并且工艺简单,在实际应用过程中的灵敏度高,因此该项技术在医疗健康和智能穿戴等方面具有非常广泛的应用前景。