柔性压阻式压力传感器的制备与性能优化

柔性压力传感器由于具有人体组织一样的柔软性在健康监测、电子皮肤和人机交互等领域扮演重要角色,21世纪物联网技术和人工智能的飞速发展带动了柔性压力传感器的应用热潮,其中柔性压阻式压力传感器因具有结构简单、易于制备、成本低的优点而被广泛使用。为了使柔性压阻式压力传感器能够应用于不同区间下的压力检测,科研人员通过材料选择和结构设计不断优化传感器的性能。本文从材料选择、制备方法和性能优化几个方面综述了近几年柔性压阻式压力传感器的发展动态,并从实际应用的角度出发对未来传感器的发展方向作出展望。

柔性压阻式压力传感器的研究进展

柔性压阻式压力传感器作为柔性压力传感器的重要分支,具有结构简单、灵敏度高、工作范围大、响应速度快及稳定性高等特点,在人类运动行为探测、健康监测、仿生电子皮肤开发及人机交互等领域均具有潜在发展需求.但是截至目前,如何同时实现低成本、高性能、低能耗和自驱动仍旧是柔性压阻式压力传感器未来所面临的挑战,而新型传感机制的开发、新型功能化纳米材料的融合及柔性器件的新型制备工艺将是未来发展的方向.本文综述了近年来柔性压阻式压力传感器的研究进展,从传感机制出发,对柔性压阻式压力传感器的活性层材料种类和微结构设计类型进行了总结,最后对其未来的潜在应用进行了展望.

碳基柔性压阻式压力传感器研究进展

作为可穿戴电子器件的核心部分,柔性压力传感器备受学术界与工业界的关注。由于碳纳米材料具有优异的导电性能和机械性能,且价廉易得、形态丰富,以碳纳米材料为敏感活性材料的柔性压力传感器一直是人们研究的热点。综述了各种碳基柔性压阻式压力传感器的研究进展,包括炭黑、碳纳米管、石墨烯和复合碳材料,指明复合碳材料的协同效应利于高效构建空间导电网络,有助于人们在敏感活性材料制备工艺和柔性传感器器件性能等方面取得进一步突破。

石墨烯/PDMS仿生银杏叶微结构柔性压阻式压力传感器

柔性压阻式压力传感器是可穿戴健康监测系统和人机交互设备的重要组成部分。在实际应用中,对具有高灵敏度和宽线性范围的压阻式压力传感器的需求迫切。以石墨烯油墨为功能层、聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性材料,设计并制备了具有仿生银杏叶微结构的柔性压力传感器。利用扫描电子显微镜(SEM)表征了传感器的表面形貌。结果表明,仿生银杏叶表面的微结构包括平行叶脉和各种形状不一的凸起。该传感器具有1.56 kPa-1的高灵敏度和22.6 Pa^20 kPa的宽线性范围,当施加不同的载荷时有明显的台阶现象,并且可以在10000次的循环压力测试下保持稳定良好的性能。传感器的响应时间缩短至80 ms左右。此外,该压阻式压力传感器可用于检测人体关节的运动,表明其在健康监测和电子皮肤中应用潜力巨大。

PEDOT:PSS在压阻式柔性压力传感器中的应用研究进展

随着智能化技术及物联网的不断发展,柔性压力传感器作为可穿戴电子设备和电子皮肤的核心器件,拥有了越来越广阔的市场。为了获得高性能的柔性压力传感器,研究者们在传感器的材料、结构及器件设计等方面进行一系列的创新型研究工作。聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)是一种应用广泛的导电聚合物。由于其高导电性,易于加工和生物相容性而受到了极大的关注。作为一种灵活的多用途材料,PEDOT:PSS可以发展成各种形式,并对新兴的传感应用产生了重大影响。本文综述了近年来PEDOT:PSS在柔性压阻传感器中的应用研究的最新进展,并介绍了PEDOT:PSS在压阻传感器中的应用及这些传感器性能提高的方法和机理。

基于PDMS的柔性压阻式传感器的研究进展

近年来,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,在人体运动及健康监测、电子皮肤、智能机器人等领域中具有广阔的应用前景。本文首先介绍了柔性压阻式传感器的传感机理及主要性能指标,然后重点综述了基于PDMS的柔性压阻式传感器的研究进展,特别是在PDMS与不同导电填料结合制备传感器以及微结构构建两个方面进行了详细阐述,最后指出了当前该领域存在的一些问题,并对其发展方向进行了展望。

基于银纳米线的柔性压阻式触觉传感器研究

触觉传感器是智能机器人感知外界环境并与人进行交互的关键环节。多种物理测量和高延展性使触觉传感器得到了更广泛的应用。提出了一种制造工艺简单、成本低的柔性触觉传感器,根据电阻的变化,可检测温度和接触压力。该传感器是由PDMS薄膜、纸基银纳米线和PDMS薄膜组成的三明治结构。敏感元件为3×3的纸基银纳米线阵列,阵列末端用导电银浆引线。整个传感器的尺寸为3 cm×3 cm。通过压力测试和温度测试实验,测量了传感器阵列交点处的电阻随着压力和温度变化趋势。结果表明,该传感器的压力检测灵敏度为2.8Ω/N,温度检测灵敏度为0.18Ω/℃。该传感器的结构和制备工艺简单可行,在机器人电子皮肤领域具有广阔的应用前景。

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。

硅基MEMS梁-复合膜-岛压阻式压力传感器设计研究

针对微机电系统(MEMS)压力传感器灵敏度与非线性度难以兼顾的问题,提出了一种梁-复合膜-岛压力传感结构,运用有限元仿真软件优化整体结构尺寸以得到最大纵横应力差、挠度,并设计压阻条压敏电阻掺杂类型、掺杂浓度、结构尺寸及分布位置。将梁-复合膜-岛结构与传统结构的输出进行仿真对比,由仿真结果可知,梁-复合膜-岛结构在0~60 kPa压力范围内灵敏度较相关结构提升7%以上,较E型结构提升2倍,非线性度为0.029%FSS,满足MEMS微压压力传感器的高灵敏度、高线性度等要求,可支撑医疗领域相关应用研究。

基于数字信号处理的压阻式压力传感器温度补偿

压阻式压力传感器是一种常用的传感器,它可以测量压力或力等物理量。然而,由于温度变化等因素的影响,压阻式压力传感器的输出可能会产生误差,需要进行温度补偿来提高准确性和稳定性。因此,本文提出基于数字信号处理的压阻式压力传感器温度补偿方法。针对基于数字信号处理设计传感器硬件电路、实现压阻式压力传感器的温度补偿两方面,完成基于数字信号处理的压阻式压力传感器温度补偿的设计。实验结果表明:采用该方法可以有效提高传感器的温度补偿效果,减少温度对传感器输出的影响,提高传感器的准确性和稳定性。

纳米材料在柔性压阻式压力传感器中的研究进展

随着柔性压力传感器在健康检测、电子皮肤和可穿戴电子设备等领域中的快速发展,制备出具有优良性能的柔性压力传感器越来越迫切。纳米材料因其具有表面与界面效应、小尺寸效应及宏观量子隧道效应的存在,从而可对柔性压力传感器的性能进行优化。基于纳米材料的压力传感器具有体积小、检测范围宽、灵敏度高等优良性能,本文综述了近几年纳米材料在柔性压阻式压力传感器中的最新研究进展。

一种杠杆式柔性压力传感器标定装置研制

针对现有柔性压力传感器标定装置及方法存在精度差、结构复杂且不易操作等问题,设计并搭建一种杠杆式标定装置。采用STM32和增量式PID算法作为微处理器和控制算法,实现标定装置中步进电机角度和速度控制。通过步进电机转动调节配重的位置,从而利用杠杆原理对施加在标定对象上的载荷进行调节。通过这种间接加压方式,可对标定对象进行高精度压力加载。实验表明:研制的杠杆式标定装置可在0~20 N量程内,20 s内达到期望压力值且测量误差保持在±0.01 N,具有高精度压力加载、操作简单等特点,可用于高质量、高效率的柔性压力传感器标定。

柔性可穿戴压阻式压力传感器研究进展

伴随着数字医疗与制造业的进步,灵活柔韧的柔性可穿戴设备可以和人体表面完全贴合,从而对人体运动及健康信号等进行监测,从而实现多种传感功能。柔性可穿戴设备具有灵活性、体积可变、生物适应性好等优点,但仍然存在灵敏度低、检测范围有限、易受外界环境的干扰、可靠性低等问题。在柔性可穿戴设备中,一个关键器件就是用于压力检测的柔性压力传感器。在今后几年柔性可穿戴压力传感器会更加注重新型结构传感器的探索和整体高性能传感器的构建。本文概述了近年来柔性压力传感器的研究进展,并就压力传感器种类、工作机理、设计原则及最新进展进行了说明。通过近年来的文献重点对压阻式压力传感器在材料及器件设计等方面进行归纳整理与总结,并对压阻式压力传感器主要应用领域做了简单介绍。从压阻式压力传感器的结构设计及今后应用的角度出发,概述了压阻式压力传感器的可靠性及未来面临的挑战。

基于音效增强的压阻式传感器信号调理电路设计研究

压阻式传感器是一种高灵敏传感器,已广泛应用于很多领域。基于此,提出一种基于音效增强技术的压阻式传感器信号调理电路设计方法,系统研究音效增强技术在信号调理中的应用,并通过实验验证了设计的有效性。该方法为传感器信号处理提供一种新的解决方案,有效提高了数据的准确性和系统的可靠性。

扩散硅压阻式压力传感器非线性误差纠正方法

针对扩散硅压阻式压力传感器非线性误差纠正易受到误差传递算法的影响,导致纠正后最大相对波动较高的问题,本文提出基于恢复函数的压力传感器非线性误差纠正方法。采集扩散硅压阻式压力传感器信号数据,去除噪音信号,以恢复函数为基础,设计传感器的非线性误差传递算法;利用支持向量机算法构建非线性误差校正模型,再通过遗传算法优化模型参数,实现误差的良好补偿。实验结果表明:本文所提出的纠正方法应用效果与文献相比,传感器的最大相对波动分别降低了13.53%与7.08%,具有更优的应用性能,值得推广。

固支结构对压阻式压力传感器的输出影响研究

针对MEMS压阻式压力传感器微型化发展过程中精度难以保证的问题,通过有限元仿真分析方法,研究固支结构、封装约束方法等变量对压力传感器输出的影响。结果表明,固支结构的引入会导致压敏电阻所处路径出现24.93%的应力偏差,不同封装方法会使路径上产生0.54%~2.42%的应力偏差。当固支结构宽度与压力敏感薄膜膜厚的比例大于3∶1时,压敏电阻所处位置应力积分均值稳定。结果表明,固支结构的约束方法、结构宽度均会对压力传感器的输出产生重要影响,合理设计固定约束结构可为压力传感器的微型化高性能设计提供保障。

高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器的研究

针对高端领域对高性能微小量程压力传感器的迫切需求,设计并实现了一种应用于电子血压计的高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器,并提出了相应的检测电路。根据小挠度弯曲理论设计了传感器方形敏感薄膜结构,确定了纳米硅薄膜压敏电阻的阻值大小和尺寸。采用ANSYS有限元分析(FEA)对所设计的传感器结构进行仿真,根据仿真结果确定了压敏电阻在膜片上的最佳放置位置。基于标准MEMS制造技术,在SOI基纳米硅薄膜上设计并实现了该压力传感器。实测结果表明,室温下,在0~40 kPa微压测量范围内所设计的传感器检测灵敏度可达0.45 mV/(kPa·V),非线性度达到0.108%F.S。在-40℃~125℃的工作温度范围内,温度稳定性好,零点温度漂移系数与灵敏度温度漂移系数分别为0.0047%F.S与0.089%F.S。所设计的压力传感器及其检测电路,在现代医疗、工业控制等领域具有较大的应用潜力。

柔性压阻式压力传感器应用与展望

柔性压阻式压力传感器具备机械灵活性、可穿戴、制备成本低的优点,同时可以通过结构设计优化传感器灵敏度,这些特性使其在健康检测、机器人触觉感知以及形状识别上具有重要应用价值。然而传感器在实际应用时仍面临着能源驱动、环境干扰、重复性使用等问题,围绕着这些方向科研人员已经开展了许多工作并取得一些创新性研究成果。相比于结构设计不断刷新传感器灵敏度上限而言,提升传感器综合性能接轨实际应用是未来的发展趋势。本文综述了柔性压阻式压力传感器在生活中的常见应用,针对应用时存在的问题对未来的发展方向做出展望,并介绍了近几年相关工作的进展。

基于纳米孔的宽量程石墨烯压力传感器

针对传统微机电系统(MEMS)压力传感器性能难以提升且结构复杂等问题,制备了一种基于纳米孔的宽量程石墨烯压力传感器结构。在Si_(3)N_(4)薄膜上刻蚀了阵列纳米孔作为压力腔,使用单层石墨烯夹在氮化硼薄膜间作为敏感结构,平铺于纳米孔阵列上,由金布线层导出信号。测试表明,在0~20 MPa压力范围内,该压力传感器的灵敏度为9.35×10^(-5) MPa^(-1),重复性误差为满量程输出(FSO)的5.70%,迟滞为1.91%FSO,线性度为2.43%FSO,其重复性与线性度良好且迟滞较小。设计的宽量程石墨烯压力传感器能够实现0~20 MPa以内的压力测量,且器件加工一致性高、测量误差小、制备方法相对简单,有助于降低生产成本和提高生产效率,在压力测试领域展现出良好的应用前景。

新型薄膜式压力传感器的参数设计

利用待测压力与薄膜加速度之间的正比例关系来获取冲击波反射超压峰值的新型测量方法已经得到初步实验验证,该方法具有无需标定、制作简单、成本低廉、测量精度高等优点。为优选薄膜式压力传感器的主要参数,并获取压力测量的不确定度,开展了数值模拟,分析了薄膜厚度、待测压力、拟合参数等因素对压力测量的影响。对薄膜的位移或速度信号进行了拟合处理,获得了冲击起始时刻薄膜的加速度,进而得到了待测压力峰值;将获得的压力与标准压力进行比对,得到了拟合时长、拟合多项式阶次、薄膜厚度等因素的优选值,并获得了薄膜式压力传感器的主要技术指标。另外,开展了激波管比对实验,验证了数值模拟的相关结论。