基于复合结构的柔性弯曲应变和压力集成传感器的研究

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近年来,柔性传感器系统作为一种新型电子器件以其便携性、实时性和可远程监控的特点,在智能化电子皮肤、可穿戴式电子设备、医疗辅助、健康和体育运动监控等实用场合中都具有巨大的市场应用潜力,与此同时,也引起了更多的研究兴趣。在刚刚过去的几年里,通过电子科学家们的不断努力探索和持续改进,基于智能柔性衬底的多种类型的电子传感器,包括电阻式,电容式,压电式的柔性传感器以及基于场效应柔性电子传感器层出不穷。这些传感器被应用于身体各个部位的运动监测。在刚刚过去的几年中,包括电阻式传感器、电容式传感器和以场效应晶体管为基础的各类柔性传感器层出不穷,这些传感器可以贴附在身体的各个部位,用于监测身体的运动、脉搏、血压、温度、弯曲和肌电等各种于人体健康状况息息相关的生理信号。随着技术和生产工艺的发展,柔性传感器研发目前主要面临的问题包括以下几个方面:制作工艺复杂、集成难度高于刚性传感器以及制作成本高昂等。本文提出了一种基于复合结构的柔性压力和弯曲应变集成传感器,可以通过一种可行的低成本制造方法进行加工。该集成传感器由两个功能模块组成,一个是采用蛇形电极设计、通过CO2激光烧结PI形成多孔石墨结构的基于聚酰胺(PI)/石墨的弯曲应变传感电阻,一个是基于PDMS-可膨胀微球和银纳米线(Ag NWs)复合结构的压力传感电阻。对两个传感器进行独立测试,实验结果显示:弯曲应变传感器具有优越的灵敏度和很好的稳定性,以及可以通过改变结构设计和尺寸来调节该传感电阻的阻值和灵敏度;压力传感器具有较大的测量范围0~120k Pa,并且可以通过控制Ag NWs的浓度来调节传感器的测量范围和灵敏度。将两个传感模块通过层压的形式进行集成测试,实验结果表明,该集成传感器中的两个传感模块不会互相形成串扰。通过将柔性集成传感器贴附在手腕上做动作监测时,不同传感器的响应仍有很好的区分度,可以轻松做出信号识别。
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