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一種簡單易復(fù)制的柔性壓力傳感器制造方法

MEMS ? 來源:麥姆斯咨詢 ? 作者:麥姆斯咨詢 ? 2022-08-01 16:02 ? 次閱讀
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柔性壓力傳感器是可穿戴設(shè)備中最重要的組件之一,其靈敏度、工作范圍和穩(wěn)定性是影響傳感器性能的關(guān)鍵因素。已有研究證明,在柔性壓力傳感器中引入微結(jié)構(gòu)可以有效地提高其傳感性能。不過,目前微結(jié)構(gòu)薄膜在工藝和性能等方面仍存在一些挑戰(zhàn),有必要開發(fā)一種可以靈活改變微結(jié)構(gòu)形狀、大小和間距的方法,以提高微結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié)性和準(zhǔn)確性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道,近日,西安建筑科技大學(xué)機電工程學(xué)院的研究人員提出一種基于微結(jié)構(gòu)納米復(fù)合薄膜(MCNF)的超靈敏柔性壓力傳感器,在較寬的測量范圍內(nèi)具有高靈敏度和穩(wěn)定性,既能檢測微小壓力信號(手腕脈搏),也能檢測較大的壓力信號(手指按壓和鼠標(biāo)點擊)。憑借其設(shè)計簡單、成本低、一致性高等優(yōu)勢,該MCNF柔性壓力傳感器有望適用于各種可穿戴設(shè)備和潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Micromachines期刊。

在本論文中,研究人員提出一種簡單易復(fù)制的柔性壓力傳感器制造方法。首先,采用機械有限元法(FEM)研究了微觀結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對傳感器性能的影響,并對相關(guān)參數(shù)進行了優(yōu)化。接著,使用印刷電路板(PCB)基材模壓多壁碳納米管/聚氨酯(MWCNT/PU)導(dǎo)電復(fù)合材料制備出活性層。最后,通過將活性層和叉指電極相結(jié)合制備出MCNF柔性壓力傳感器。

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MCNF柔性壓力傳感器的制備工藝

通過一系列對比試驗,研究人員驗證了該MCNF柔性壓力傳感器具有高機械穩(wěn)定性和長期耐用性。其可靠性歸因于板條微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、PU基板的機械柔性以及魯棒性。由于板條微結(jié)構(gòu)的寬間距比越小,對應(yīng)的MCNF柔性傳感器應(yīng)變率越大,響應(yīng)靈敏度越高,而MCNF接觸面積變化率越大,其變形越容易,壓阻響應(yīng)越敏感。因此,在對MCNF施加壓力的過程中,其獨特的微結(jié)構(gòu)能夠顯著增加MCNF和叉指電極之間的接觸面積,從而有效提高傳感器的靈敏度。

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MCNF柔性壓力傳感器的傳感性能。(a)有無微結(jié)構(gòu)傳感器的壓力響應(yīng)。(b)相同MWCNT含量、不同微結(jié)構(gòu)MCNF傳感器的壓力響應(yīng)。(c)垂直平行放置于電極的MCNF傳感器的壓力響應(yīng)。(d)對比文獻研究與本研究傳感器的敏感度和工作范圍。

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MCNF柔性壓力傳感器的循環(huán)加載實驗結(jié)果:模型?A循環(huán)加載(a)0–1 N和(b)0-5 N;(c)模型?A和(d)模型-E在0–10 kPa循環(huán)載荷下的壓阻響應(yīng)曲線。

該MCNF柔性壓力傳感器具有良好的傳感性能,可用于檢測多種人類活動引起的壓力變化。基于其在低壓和中壓范圍內(nèi)具有出色的線性度和靈敏度,可用于實時檢測來自手腕動脈的脈搏信號。此外,在檢測手指按壓和鼠標(biāo)點擊等大壓力信號時,該傳感器也表現(xiàn)出高穩(wěn)定性和靈活性。

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MCNF柔性壓力傳感器在實時監(jiān)測人體活動中的應(yīng)用:(a)手指按壓;(b)鼠標(biāo)點擊;(c)實時脈搏檢測;(d)脈搏振動波形。

綜合而言,該MCNF柔性壓力傳感器具備高靈敏度、寬工作范圍和高靈活性,在微小壓力和大壓力檢測方面均具有顯著優(yōu)勢,可有效用于人體生理實時監(jiān)測。憑借其低成本、設(shè)計簡單、一致性高等優(yōu)勢,該MCNF柔性壓力傳感器有望在可穿戴設(shè)備、人機界面等領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力。

論文鏈接:https://doi.org/10.3390/mi13081164

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:基于微結(jié)構(gòu)納米復(fù)合薄膜的超靈敏柔性壓力傳感器

文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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