柔性电容传感器针织物的电学性能研究

以纬编间隔织物为介质层,将涤纶基镀铜导电机织布和银纤维针织布分别与其进行复合制备出两种柔性电容压力传感器,通过1次压缩、50次反复压缩,测试柔性压力电容传感器位移-载荷-电容特性及电容特征在反复压缩试验中的稳定性。结果表明,随载荷增大,电容逐渐增大,且在负载300 N以下时,两种柔性电极制作的传感器载荷-电容特性都具有一定线性变化特征,其中银纤维针织布电极制备的传感器线性特征略优,经50次反复压缩后,银纤维针织布电极制作的压力电容传感器可重复性更好。

基于均匀微突结构的高灵敏柔性电容压力传感器

针对可穿戴医疗设备、电子皮肤、柔性触摸显示屏等对高灵敏柔性压力传感器的感知需求,文章基于纳米氧化锌(ZnO)、酞酸酯偶联剂(PN-105,PN)和室温硫化硅橡胶(room temperature vulcanized silicone rubber,RTV)材料,结合丝网印刷技术制备具有均匀微突阵列结构、ZnO-PN/RTV介电层的柔性电容式压力传感器,并对其传感机制和特性进行测试研究。结果表明:所研制的柔性电容式压力传感器具有高灵敏度(1.2 kPa^(-1))、快速响应(40 ms)、低检测限(2 Pa)、高使用寿命(>5000次)和良好的人体适用性;制备的5 cm×5 cm压力阵列能够满足可穿戴设备和柔性电子产品需求。该传感器灵敏度高且制作工艺简单、成本低,在柔性智能传感和服务机器人等领域具有良好的应用前景。

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。

可穿戴柔性湿度传感器开发及在人体呼吸模式检测中的应用

针对传统湿度传感器存在测量范围窄、响应时间长和稳定性差等问题,开发了一种基于石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))与TiO_(2)复合材料的聚酰亚胺(PI)基底电容式柔性湿度传感器。通过扫描电镜(SEM)分析了g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)复合材料的多孔结构和形态特性,并采用饱和盐溶液法对g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)柔性湿度传感器在不同湿度下的湿敏性能、湿滞特性、响应和恢复速率等进行测试。结果表明,g-C_(3)N_(4)/TiO_(2)柔性湿度传感器具有相对湿度检测范围宽(0%~97%)、湿度迟滞低(1.48%)、响应时间短(3.5 s)等优势,可实现人体呼吸频率、呼吸强度以及比奥呼吸、潮式呼吸、睡眠暂缓呼吸等模式的检测。

基于三浦折纸电容式压力传感器的仿真与优化

柔性电容式压力传感器的灵敏度通常随压力的增加而衰减,这可能会影响其在具有环境压力情况下的应用。基于三浦折纸结构的柔性电容式压力传感器由于其特殊的折叠方式,可以同时改变电极之间的距离和正对面积来提高电容的相对变化率。本文通过有限元仿真验证了三浦折纸电容式压力传感器的灵敏度随压力的增加而增大的变化规律。此外,仿真了不同初始二面角和厚度的三浦折纸传感器在不同压力下的电容变化情况,从结构上进行性能优化。

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。

柔性电容式压力传感器制备及测量综合实验

柔性电容式压力传感器可用于可穿戴器件和人体生理信号监测而受到广泛关注,为此设计了基于柔性电容式压力传感器制备与测量的综合实验。制备了基于金(Au)电极,空气隙和二氧化硅(SiO2)为介电层,聚二甲基硅氧烷/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PDMS/PET)为基底的柔性压力传感器,并搭建一套可实现电容式压力传感器实时测量的装置,采用LabVIEW编程控制其测量过程,实现数据实时显示和存储,并对制备的柔性电容式压力传感器进行参数测量。该实验将压力传感器制备方法与微电子器件制造工艺及手段相结合,不仅可以激发学生的科研兴趣,也有利于提升学生的创新能力。

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。

电容式柔性压力传感器的研究进展

为了分析电容式柔性压力传感器的传感机制和发展方向,首先介绍不同类型柔性压力传感器的工作原理,并且比较了不同类型压力传感器的灵敏度、柔性及稳定性等性能的优势与缺陷,介绍了电容式柔性压力传感器在人体运动及生命体征信号监测等方面的研究现状和发展趋势,分析了微结构、电极材料和复合介电层等对电容式柔性压力传感器的灵敏度、响应时间及稳定性的影响。为了提高器件的综合性能,认为未来开发具有多功能、高柔性、高灵敏度及稳定性的静电纺丝纳米纤维膜基电容式柔性压力传感器将是重要的发展方向。

基于MWCNT-PDMS高灵敏度电容式柔性压力传感器

作为柔性电子器件的重要分支,高灵敏度柔性压力传感器已成为当前研究热点。选取聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性介质薄膜和氧化铟锡-聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO-PET)作为柔性电极构建三明治结构电容式柔性压力传感器,通过在PDMS薄膜内掺杂高导电性多壁碳纳米管(MWCNT)形成微电容提升传感器灵敏度。同时,测试高低温工作稳定性、响应时间、循环稳定性和迟滞特性等关键传感特性。测试结果表明:经过优化MWCNT掺杂质量分数,在低压范围内传感器灵敏度可从初始的0.52 kPa^(-1)增加到1.512 kPa^(-1),灵敏度提升接近2倍。同时,MWCNT掺杂传感器还表现出工作温度范围宽(-18~80℃)、响应时间短(65 ms)、循环稳定性高、迟滞误差小等优异的传感特性。最后针对较高压力下的漏电现象进行了适当分析。

宽范围高灵敏度的碳基柔性电容传感性能

为了改善柔性电容式传感器灵敏度与测量范围的问题,提出了一种易制备、无微结构的制备方法。以硅橡胶为柔性基底,碳纳米管和石墨烯为导电填料,采用机械共混和热固化工艺制备了柔性碳基介电层,选用铜箔作为传感器上下电极。研究分析了碳基填料和固化温度对介电层灵敏度与弹性模量的影响,并通过万能试验机与数字电桥构成测试回路对传感器传感性能进行测定分析。实验结果表明,混合填充与单组分填充相比灵敏度提高约10倍,较高的固化温度可以有效降低弹性模量;在30 kPa压力下灵敏度高达1.092 kPa-1且在循环载荷下表现出良好的稳定性,响应时间和恢复时间分别达到300 ms与260 ms,并且拥有较低的迟滞特性。

介电层造孔优化ITO-PET/PDMS/ITO-PET结构的电容式柔性压力传感性能

灵敏度是柔性压力传感器的重要性能指标,为了有效提高传感器的灵敏度,同时兼顾其他各性能,选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为复合介电层材料、氧化铟锡-聚对苯二甲酸乙二醇脂(ITO-PET)作为电极材料、二亚硝基五亚甲基四胺(DPT)作为造孔试剂,通过介电层造孔的方式,尝试配置不同质量分数DPT的DPT-PDMS试剂来寻找最佳配比,使制备的ITOPET/PDMS/ITO-PET结构的电容式柔性压力传感器的灵敏度显著提高,在低压范围灵敏度达到了1.65 kPa^(-1),相较于没有造孔的PDMS电容式柔性压力传感器的灵敏度(0.36 kPa^(-1))提高了3.58倍,最终取得了灵敏度高、工作压力范围(0~8 kPa)宽、阻滞误差小、循环稳定性高、工作温度范围(0~80℃)广、响应时间(<65 ms)短的电容式压力传感特性。由此可见,对介电层造孔能够有效提高传感器的灵敏度,并且传感器的其他性能均表现良好。

一种基于离子液滴的电容式压力传感器的设计

随着物联网和大数据时代的到来,柔性可穿戴设备在医疗健康监测领域中正受到越来越多的关注。一方面,柔性可穿戴设备通过采集人体生理信息,可帮助慢性病患者进行自我监测和管理,减少就医次数和降低医疗成本;另一方面,与传统的使用刚性材料的智能手环、智能眼镜相比,柔性可穿戴设备的核心部件是基于柔性材料的传感器,具有良好的延展性、贴合性和舒适性,更适合婴儿、老人等特殊病患长期佩戴使用。文章提出了一种以离子液为介质、ITO导电膜为电极的柔性电容式压力传感器,利用差分式测量电路成功测得人体脉搏信号。该传感器制作简单,成本低廉,具有良好的准确性、实时性和舒适性。

基于多向冷冻法制备的高灵敏度柔性电容式压力传感器

近年来柔性电容压力传感器因兼具优异的力学性能和良好的灵敏性,广泛应用于医学诊断、电子皮肤、人工智能等重要领域。本文围绕提升电容式柔性传感器的灵敏度为目标,设计了一种基于多向冷冻工艺构筑的三维交联网络结构多壁碳纳米管(MWCNTs)/聚二甲基硅烷(PDMS)海绵为介质层的柔性电容式压力传感器,并对该传感器的制造过程、传感机制、响应性能和人体适用性进行表征。结果表明:通过多向冷冻法可成功构建三维网络结构MWCNTs/PDMS海绵介质层,且此介质层组装的柔性电容式压力传感器具有较高灵敏度(~1.94 kPa-1)、低检测限(~4 Pa)、快响应时间(~250 ms)、良好稳定性及人体适用性。该柔性传感器在可穿戴电子产品中具有良好的应用前景。

基于导电织物的关节弯曲角度测量传感器

柔性电容式拉伸传感器,可用于测量关节弯曲和肌肉拉伸等人体动作,具有低功耗,线性度高等优点,作为新一代可穿戴传感器在运动检测、医疗康复领域具有广泛应用前景。但现有电容式拉伸传感器存在应变灵敏度(Gauge Factor,GF)不高的缺点,导致在关节微小弯曲测量方面精度较低。针对此,提出了一种基于无机硅胶和导电织物的分段式结构柔性电容式应变传感器。传感器采用不同杨氏模量硅胶设计了非线性结构的介电弹性体,并以柔性导电布作为电极。同时,建立了传感器的关节弯曲角度感知模型。实验结果表明,该传感器由于采取了分段式结构设计,因此稳定性好,提高了在中等应变情况下(0~50%)的应变灵敏度因素(GF=1.5)。将其安装于手套上测试,弯曲角度预测模型能够对关节弯曲角度进行较好的预测。该柔性电容式应变传感器制作工艺简单,可低成本大规模制造。其分段式结构设计与角度传感模型适用于医疗康复训练和机器人操控等创新应用。

基于仿生MXene纤维导电网络的柔性透明电极及电容传感器

为了开发具有优良性能的智能伪装隐身器件,使用预模板法制备了柔性透明电极.以叶脉纤维为预模板,在其表面沉积金属碳化物/氮化物(MXene),从而开发了具有透明有序导电网络结构的透明电极.叶脉表面的羟基基团与导电材料的表面活性基团的相互作用极大地提高了导电材料与基底的表面结合力.此柔性透明电极在透光率为80.6%时,方阻为11.4Ω/sq,有效地避免了光电特性之间的“权衡”效应,且在1000次弯曲循环下电阻几乎保持不变,具备良好的耐久性和稳定性.将此透明电极成功制备透明电容式传感器,其灵敏度可达0.09 kPa^(-1),且在1000次循环之后相对电容基本保持不变,具有出色的传感性能和耐久性,可以在人难以察觉的状态下监测人体运动信号.此柔性透明电极和透明电容传感器在可穿戴伪装电子领域具有巨大潜力.

矿井勘探用智能电子织物及其安全防护可穿戴研究

针对传统传感设备的柔软性差、可穿戴舒适性低等问题,提出一种基于电容效应的全纺织基柔性电子织物的制备策略,采用镀镍铜织物作为电极,以纬平针织物作为介电层,构筑得到针织物基传感器。镀镍铜机织物电极层和中间针织物介电层厚度均在微米级别,拥有良好的透气和透湿性,也具有良好的可穿戴舒适性。结果表明,全纺织基柔性电子织物在压力范围0~400 kPa内的灵敏度约为0.00044~0.0025 kPa^(-1),具有较好的线性度;在8000次施压循环后仍保持稳定的电容变化,表现出优异的耐久性能;此外,三维织物基传感器显示出很好的服用性能,透气性为168.20 g/(m^(2)·h)和透湿性为537.86 mm/s。全纺织基柔性电子织物对人体动态信号有优异的识别能力,在矿井勘探等安防领域具有广阔应用前景。

仿生涂层在多孔聚氨酯泡沫介电层中的应用

近来,柔性压力传感器在感知机械刺激方面的潜力引发了人们对可穿戴电子设备等前沿应用的巨大兴趣。其中电容式压力传感器具有超快响应、较低功耗和较小的信号漂移的优点,被认为是高性能柔性传感器的最佳选择。目前,电容式传感器在大应变下依旧具有明显电容变化还是十分有挑战性的。文中报道了在多孔介电层中引入介电常数较高的钛酸钡(BaTiO,BT),通过介电谱仪测量多孔介电层的介电常数时发现其值从2.51提升至3.83,这有利于传感信号(S=0.075 kPa)的放大。针对在实际应用中,该类泡沫基传感器因填料和基体脱粘导致循环稳定性较差的问题,尝试改变填料的形貌来改善上述问题并初步获得了一定的效果。这一方法旨在为泡沫基电容式传感器在柔性电子领域中的应用提供新思路。