镓基液态金属柔性叉指阵列电容传感器设计及实验测试

为解决传统叉指电容传感器采用铜和印制电路板打印制备无柔性、难以贴合不平整被测物表面等问题,提出了基于镓基液态金属的柔性叉指阵列电容传感器设计方案。考虑电极层和基板的影响及叉指阵列结构的影响构建传感器数学模型,确定传感器的各项参数。利用镓基液态金属制备柔性叉指阵列传感器,对其进行实验标定和输出特性测试,并将其应用于材料材质识别研究。测试与仿真结果表明,该柔性叉指阵列电容传感器具有良好的柔性、灵敏度和输出特性,具有应用于材料材质识别的应用潜力。

用于测量介电常数的叉指电容传感器设计

为实现保持一定精度的低成本测量样品介电常数,提出了一种改良型叉指电容传感器结构和便捷的测量方法。通过传感器模型和测量电路的设计与仿真,借助极间电容建立了归一化输出信号电压幅度与介电常数的线性关系,提供了通过归一化输出电压幅度得出介电常数的便捷方法。在无需严格限制待测材料尺寸的情况下,仿真结果表明:该传感器和测量方法可对材料实现快速测量。实际校准和测量表明:对于相对介电常数在5.6以下的材料,本文传感器和方法可实现相对误差小于3%的介电检测,且具有测量便捷、成本低、尺寸小的特点。

基于空心微柱介电层的柔性电容式压力传感器

提出了一种使用空心微柱介电层的柔性电容式压力传感器,通过倒模的方法制备PDMS和BaTiO_(3)复合材料的空心微柱介电层,通过在PET薄膜上丝网印刷导电银浆制作为阵列式电极。实验表明,该传感器在压力范围为0~5 kPa,5~50 kPa和50~200 kPa时的灵敏度分别为0.498,0.026和0.008 kPa^(-1),最小检测压力可达35 Pa,在1000次重复压力实验中表现稳定,且具有快速的响应速度(约134 ms)。该传感器制备方法简单高效,制作成本低且便于大规模制备,同时该传感器在准确性、稳定性、灵活性等方面都有优秀的表现,可被应用于可穿戴电子设备和智能机器人等领域。

基于叉指阵列微电极的阻抗免疫传感器研究进展

叉指阵列微电极(Interdigitated array microelectrodes,IDAM)具有检出限低、灵敏度高和信噪比好等优点,近年来在分析化学领域引起了极大的关注。阻抗免疫传感器将IDAM与免疫测定技术相结合,通过抗原抗体的特异性反应引起IDAM之间介质的阻抗变化实现对目标物的检测。本文分析了IDAM的特点、制作材料以及电极设计参数对系统检测性能的影响,评述了IDAM阻抗免疫传感器的工作原理、等效电路分析,综述了IDAM阻抗免疫传感器在食品安全分析和临床诊断领域中的应用,并讨论了目前研究中存在的问题及其发展趋势。

厚度渐变结构介电性能测试用变间距叉指型相邻电容传感器设计

针对厚度渐变高分子结构介电性能检测问题,设计一种变间距叉指型相邻电容传感器。研究不同叉指个数和极板覆盖率对等间距叉指相邻电容传感器信号强度和穿透深度的影响,确定了单对叉指单元的宽度范围;研究单对叉指单元参数对相邻电容传感器性能的影响,得到单对叉指单元传感器的穿透深度;根据待测结构厚度变化规律,对组成叉指传感器电极的单个叉指单元的宽度和间距进行了优化设计,设计出变间距叉指型相邻电容传感器。仿真和试验结果表明,变间距叉指型相邻电容传感器的信号强度和灵敏度优于等间距传感器,该传感器更适合渐变厚度结构材料的介电性能检测。

基于多层叉指超微带电极阵列的葡萄糖传感器

采用多层工艺和光刻方法在玻璃衬底上加工了亚微米级金叉指型超微带电极阵列(IDA),IDA电极的宽度为362 nm,电极表面位于沟槽内.实验表明,所加工的IDA电极可作为生物和化学传感器的一次性超微基体电极.采用电聚合的方法将葡萄糖氧化酶(GOD)和吡咯(PPy)固定于IDA电极,该修饰电极可作为葡萄糖传感器.采用该葡萄糖传感器对磷酸钾缓冲溶液(pH 7.0)中的葡萄糖浓度进行了比对测量,在2.0～7.0 mmol/L的浓度范围内,传感器的响应时间为10 s;灵敏度为14.6 nA/(mmol/L),相关系数为0.999.

柔性阵列电容式触觉传感器设计与实验

针对现有柔性触觉传感器柔性差、结构和加工工艺复杂等问题,设计了一种可用于智能机器人和健康监测领域中的柔性阵列电容式触觉传感器。传感器由上电极层、下电极层和中间介电层构成,每个电极层上有多个平行带状电极,且上下层电极互相垂直,电极垂直交叉点形成阵列传感器单元。介绍了柔性阵列电容式触觉传感的理论基础和结构设计,并根据阵列结构建立了信号采集和处理系统。实验证明,该柔性阵列电容式触觉传感器和信号采集系统有很好的稳定性和准确性,可获得其表面的压力分布情况,并可在上位机中图形化呈现。

基于叉指电容传感器的油品电学参数检测系统设计

食用油关系人们身体健康,现有技术不能实现快速方便检测。提出以新型叉指电容传感器为基础,基于介电常数测量原理,采用电容数字转换芯片AD7746,利用I2C串口协议和微控制器PIC18F452单片机进行通信,实现电容数据的采集和处理,构成一个快捷实时食用油检测系统。首先对常见的食用油进行测量,再依次加地沟油进行测量,最后对不同煎炸时间的食用油测量其中电容变化,得出实验数据。结果发现煎炸时间越长,油中极化分子越多,对健康影响越大。

电容阵列柔性压力传感器设计与分析

针对现有的柔性电容式压力传感器精度低、重复性差、大面积应用难度大等缺点,设计了一种柔性电容式压力传感器,可用于生理信息监测或机器人皮肤等领域。该传感器结构基于交叉电极式电容阵列,材料及制备工艺简单,易于大面积扩展应用,可对接触状态进行定量反馈。实验表明,该传感器能够感知0~70 k Pa范围的压强,可清晰分辨人手、脚等接触压力信息;电容灵敏度约1.17%V/k Pa;响应速度可达30 f/s,可实现压力信息的实时图形化显示。

基于PI的3D叉指电极对称微型电容器的制备及性能

随着物联网的发展,微型化自供电电子产品的快速发展和进一步微型模块化大大刺激了对微尺度的电化学储能装置的迫切需求。在各电化学储能装置中,基于平面图案形状的超级电容器在小型化和集成化等功能性特征上与现代电子产品高度兼容。本工作采用半导体制备技术与电流体喷印技术相结合的方法制备柔性3D叉指电极对称微型电容器,并采用富氧活性炭油墨进行3D喷印,通过调控优化电场强度、线宽、喷印层数等参数,制备3D叉指对称电极,采用电子散射能谱(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、流变仪、电化学工作站以及器件测试系统对材料、浆料以及微型电容器器件进行表征,探究材料以及浆料对3D叉指电容器性能的影响,结果表明:利用半导体和电流体喷印相结合工艺制备的3D叉指微型电容器具有优异的性能,其面积电容可以达到22.3 mF·cm^(-2),此外,通过封装优化,此器件在循环2000周次后可以实现96%的容量保持率。这种简易可控制的3D喷印技术为先进的微型化电化学储能器件提供了一种有效的制备途径。

面向新鲜乳品质量检测的RFID传感器设计

针对新鲜乳品质量便捷测量的需求,提出一种基于电容传感器阻抗分析以及射频识别能量与数据传输的柔性射频识别传感器标签。设计并优化了叉指电容传感器前端,通过阻抗分析感知乳品质量变化。通过天线仿真优化提高无线供电效率,利用近场通信数据交换格式归一化数据实现无线传输与显示。通过研究传感器前端和高频天线线圈屏蔽作用并对其优化改进,提升了传感器的抗干扰能力。利用pH值作为参考值确定乳品变质时间节点,并对所提出方法进行了实验验证,结果显示传感器标签在1.5cm内能够稳定工作,测量最大相对误差为3.28%,新鲜度判断结果能够有效反应乳品实际变质情况。

柔性织物压力传感器的制备及其性能研究

为改善基于织物的柔性可穿戴压力传感器在使用时的灵敏度、可靠性和可持续性,采用直写工艺设计和制作纳米银线叉指电极,并将其作为底电极;采用浸泡工艺制作纳米银线导电织物,将其作为压阻层。将两者组装成为压阻式柔性织物压力传感器,并测试相关性能。结果表明:施加不同的压力,压力传感织物的电流都是随着施加电压的增加而线性增加;压力传感织物具有较好的传感稳定性和重现性,对外力具有较好的响应性能和较高的灵敏度;柔性织物压力传感器在0.1 V的低电压下实现了出色的开关比,5 g砝码压力下快速响应性能较好。认为:制备的柔性压力传感器在可穿戴控制器和运动检测中具有潜在应用价值。

柔性基底印刷叉指电容的阻抗特性研究

为降低电容制作成本,采用丝网印刷的方式在柔性PET基底上印制出可用于较高频段范围的叉指电容。首先利用电磁仿真软件设计出叉指电容的结构;然后通过实验研究了工艺参数对印刷薄膜电阻值的影响和油墨种类对印刷叉指电容阻抗特性的影响,确定合适的丝网印刷工艺参数和导电性能良好的油墨;最后,采用上述油墨和工艺参数印制了不同结构参数的叉指电容,测试了其阻抗特性,分析了不同结构参数对其阻抗特性的影响。实验结果表明:印刷叉指电容的阻抗特性与理论仿真结果一致;叉指电容所有结构参数中,指的长度和指的个数对其阻抗特性影响较大,印制的叉指电容在100~600 MHz范围内具有较好的阻抗特性。

柔性叉指电极折叠特性的仿真建模与试验研究

柔性叉指电极以其稳定性好、灵敏度高、制作方便等优点成为柔性电容传感器的重要研究方向,也逐渐在可穿戴领域得到应用及发展。在不同的触觉信号作用下,柔性叉指电极可产生不同的电容输出值,通过平面映射及保角变换法得到柔性叉指电极在不同折叠情况下的计算式。运用COMSOL Multiphysics有限元软件建立柔性叉指电极传感器的仿真模型,详细分析了折叠角度及折叠位置对传感特性的影响,并通过试验研究进一步验证仿真结果的可行性。仿真及试验结果表明:当折叠角度θ≤90°时,对电容输出信号的影响较大;而折叠位置对电容的影响相对有限。该研究成果对柔性叉指电极在智能可穿戴领域的应用具有创新性的参考价值,为柔性叉指电容传感器提供了更广阔的发展前景。

基于双层微结构电极的柔性电容式压力传感器

为了研究电容式传感器电极表面有微结构对自身灵敏度的影响,设计了一种基于双层微结构电极的电容式压力传感器,其以表面溅射有导电金属的带有金字塔微结构的PDMS薄膜作为上下层电极。该方法设计的传感器能够明显地提高传感器的性能,灵敏度可达0.34 kPa-1,是无微结构电极传感器灵敏度的17倍,具有低的检测极限(最低为20 Pa)、较快的响应时间(200 ms)和可靠的重复性。实验表明,该传感器能够实时快速地的检测外部压力的变化。

二维电容式硅微加速度传感器的刚度求解

硅微电容式加速度传感器具有灵敏度高、噪音低、漂移小、功耗低、结构简单等优点 ,在军民两用市场中有着广泛的应用前景。本文针对自主开发设计的一种带折叠梁的二维叉指电容式硅微加速度传感器 ,采用力法求解了其主轴刚度 。

叉指电容式棉花穴播取种状态监测系统研制

针对气吸式穴播器存在重播和漏播,而传统排种检测装置不适配且易受环境温湿度影响的问题,该研究开发了一种基于叉指型电容传感器的棉花穴播取种状态监测系统。首先设计符合其结构和工作特点的传感器,以Pcap02微小电容采集模块采集电容输出值并对其处理分析,实现对正常单粒播种、重播和漏播的准确判定,并进行试验,试验结果表明:该模块的测量误差在1%以内,棉种质量预测误差小于3%,满足使用要求。在速度为30~50 r/min范围内,正常单粒播种误判率小于3%,重播误判率小于4%,漏播均可以被准确判定,但由于棉种质量差异,存在正常单粒播种被误判为重漏播、重播被误判为正常单粒的情况;由于振动导致系统整体监测精度下降,但均保持在93%以上;系统监测与机器视觉监测的正常播种、漏播和重播数,不存在显著差异(P>0.05)。说明该系统能满足气吸式穴播器的结构和工作特点,能准确判定其取种状态,具有较好的准确性和稳定性,对棉花实现精量播种具有重要意义。

高灵敏度电容式生物传感器的设计

设计了一种电容式生物传感器,采用组合微叉指电极作为分子识别元件,高精度电容测量电路作为转换元件。经实验验证该传感器具有性能稳定、零点漂移小、灵敏度高等特点,可用于免疫球蛋白(IgG)的检测。

新型叉指电容设计建模与实验研究

文中设计一种具有交扣叉指结构和等电位隔离电极的新型叉指电容,建立了新型叉指电容的表面电容通用解析模型,并进行了实验验证。结果表明:表面电容解析模型的理论计算值与实际测量总电容值之间存在高度的线性相关性,线性拟合的最大相对偏差为0.34%;新型叉指电容在1 kHz~1 MHz频率范围内实测电容值的相对变化量稳定地小于基本结构叉指电容,最大变化量约为后者的91%;电容表面覆膜时的有效感知厚度随电极占空比的增加而增加,达到增速拐点之后敏感度随膜厚增加而显著减小。新型叉指电容的解析模型简洁、准确,设计制造方便。

高灵敏纸基无湿敏材料电容式湿度传感器

为了拓宽湿度传感器的应用范围,兼顾其可穿戴、低成本、高灵敏度等优点,提出了一种电容式纸基无湿敏材料湿度传感器。以叉指电极(interdigital electrode,IDE)为基本结构,利用有限元仿真软件COMSOL Multipysics仿真研究了IDE指数对传感器性能的影响,得到具有良好湿敏特性的传感器结构。利用丝网印刷工艺制作电容式纸基湿度传感器,进行湿敏特性测试,系统研究了纸基类型、工作频率对传感器性能的影响,验证了其工艺一致性、重复性和长期稳定性。实验结果表明:以柯达相纸为基底的20指IDE传感器在1 V/200 Hz的测试电压下具有高达7379%的灵敏度、响应/恢复时间为108 s/131 s,表现出良好的重复性和长期稳定性。