强健超弹的蜘蛛网状聚酰亚胺纤维基导电复合气凝胶用于极端温度下的线性压力传感器（英文）

压力传感器是人工触觉感应的基石.尽管人们对高性能压力传感器进行了广泛的研究,但解决传感器的高灵敏度、宽线性响应范围和宽工作温度范围仍然面临巨大挑战.在此,我们创新性地应用三乙胺实现了疏水聚酰亚胺纤维(PIFs)在碳纳米管(CNT)水溶液中的均匀分散,同时纤维的结构不会受到破坏,并利用冻干和热酰亚胺化技术制备了强健超弹的蜘蛛网状(PIF/CNT)导电复合气凝胶.该气凝胶作为压力传感器具有宽线性感应范围(0.01-53.34 kPa)、超低检测限(10 Pa)、高灵敏度(0.507 kPa^-1)、快速响应/恢复时间(85/80 ms)、稳定的快速压缩响应(500 mm min^-1)和优异的抗循环疲劳能力(5000次)等优异的传感性能.有限元分析表明,多级纤维网络有利于相邻的导电纤维之间的接触面积在外部压力下有明显的线性变化,使之表现出优异的线性传感性能.该传感器可用于人体生理和运动信号检测、电子皮肤和智能控制,且在极端温度(-100-300℃)下表现出出色的传感稳定性和热绝缘性,可用于极端太空环境下太空服和月球/火星栖息地充气结构的传感单元.本工...     

二维纳米材料在柔性压阻传感器中的应用研究进展

随着柔性压力传感器在可穿戴电子设备、电子皮肤等领域的快速发展,研究制备高灵敏度、低检测限、宽感应范围的高性能柔性压阻传感器成为一种必然趋势.为了获得高性能的柔性压阻传感器,需要在导电敏感材料的选择和传感器微纳结构的设计上进行一系列的创新.二维纳米材料凭借其独特的结构和优异的性能,成为柔性压阻传感器导电敏感材料的良好选择.本文综述了几种类型的二维纳米材料压阻传感器,介绍了二维纳米材料柔性传感器的微纳米结构的创新及发展,最后针对当前研究面临的问题提出了解决方法并对其今后的发展方向进行了展望.     

电容式柔性压力传感器的性能优化原理及研究进展

作为可穿戴电子器件的重要分支，柔性压力传感器在人机交互、健康监测等方面具有广阔的应用前景。随着新型材料与新的器件制备策略的不断开发，柔性压力传感器的力学与电学性能不断被优化以适应不同的应用需求。相较于其他传感器，电容式柔性压力传感器具有灵敏度高、功耗低、响应快的优势。电容式柔性压力传感器的性能优化主要通过改变器件的结构参数来实现，如电极有效正对面积、电极间距、有效介电常数等。主要方法策略包括新型纳米材料的应用、新型微结构设计和新型复合材料的开发。主要优化原理有四种：（1）通过改变电极表面粗糙度来改变电极有效正对面积；（2）在电极或介电层中引入空气层以降低弹性模量；（3）在介电层中引入空气或高介电常数材料来改变有效介电常数；（4）通过复合材料在介电层中形成微电容以改变总体电容变化。在电容式柔性压力传感器的性能优化研究中存在一个共性问题，即高灵敏度与宽检测范围之间总是存在一种制约关系。在一定压力范围内，尤其是低压范围，灵敏度提升往往会使器件较易达到压缩饱和而使检测范围有限，即线性度较差。近年来，研究者们着眼于高灵敏度与宽检测范围之间的制约问题，对介电层的梯度结构设计及混合响应机制进行探索，...     

纸基碳纳米管薄膜/叉指结构的超灵敏宽量程压力传感器（英文）

柔性压力传感器因其在可穿戴设备和人机交互界面中的潜在应用而备受关注.特别是在实际应用中,人们对具有高灵敏度、宽测量范围和低成本的压力传感器有很大需求.基于此,我们研制出了一种测量范围宽的超灵敏压力传感器.该传感器是以碳纳米管(CNT)均匀溶液直接喷在纸表面作为敏感材料,用光刻技术制成的叉指电极为结构.由于CNT大的比表面积、纸的多孔结构以及CNT与叉指电极有效接触的协同作用,压力传感器实现了从0到140 kPa的宽测量范围,并在15,000个测试周期内表现出良好的稳定性.对于纸基碳纳米管薄膜/叉指状结构(PCI)压力传感器,敏感材料与叉指电极之间的连接区域在较小的压力范围内占主导地位,而敏感材料的内部变化在大的压力区域起主导作用.此外PCI压力传感器不仅具有2.72 kPa-1(直到35 kPa)的高灵敏度,还可以检测小重量,如一颗绿豆(约8 Pa).当压力传感器贴附到人体表面时,可以监测生理信号,如手腕运动、脉搏跳动和语音识别.此外,压力传感器的阵列能够识别空间压力分布,有望实际应用于人机交互界面.     

高灵敏度,超宽响应范围,环境耐受性高的多模式离子凝胶基传感器（英文）

近年来,离子类皮肤传感器因其高性能和良好的兼容性等优点而备受关注.然而,开发一种多功能、稳定、高灵敏度和耐用的离子类皮肤传感器仍面临挑战.本文通过简单的紫外引发聚合制备了具有良好耐用性、环境(抗冻、耐真空)稳定性、离子导电性、自愈性、高粘附性和拉伸性的复合离子凝胶.该离子凝胶可以组装为应变、压力和温度传感器,用于检测外部环境的变化.无论是作为应变传感器还是压力传感器,离子凝胶基传感器都具有高灵敏度(GF=14.7)、宽响应范围(1%-1600%)、快速响应时同(95.8 ms)、优异的稳定性和可重复性(1000次).因此,它不仅可以追踪关节运动,还可以监测细微的表情变化(皱眉).该离子凝胶还可以组装成敲击传感器和高精度书写板传感器,用于信息传递.此外,该传感器对温度变化具有较高的灵敏度,温度感知范围在0-120℃之间,且检测阈值较低(0.1℃).因此,基于离子凝胶的传感器有望应用于多功能电子和传感设备.     

基于降阶模型的水下结构振动主动控制仿真及实验研究

基于降阶模型对水下结构振动的主动控制进行了仿真及实验研究,并取得了较好的抑制振动的效果。基于结构在可压缩流体加载下的无阻尼实模态矩阵建立了水下结构的降阶模型,由于维数的降低,进而能够设计出相对简化的主动控制系统,减少传感器和作动器的数量。通过线性二次型最优控制和结构主动变刚度控制两种方法对水下结构振动进行了主动控制仿真,均使结构振动有所下降。仿真结果显示线性二次型最优控制能够降低结构振动的峰值,而结构主动变刚度控制能够将结构的固有频率按照需要进行改变。还通过水下平板振动主动控制模型实验,验证了主动控制技术对水下结构的减振效果。     

用于生物医学检测的二维晶体管传感器（英文）

精确、快速的生物医学检测对于更好的健康监测和及时的治疗具有十分重要的作用.因二维(2D)半导体材料具有高灵敏度、高比表面积以及一步电学信号读取等优势,通过将特定探针构筑在其表面,2D晶体管生物传感器具有巨大的优势.尽管研究者们构建出了各类2D晶体管传感器,但它们在单器件级别的性能和功能受到传感界面和晶体管结构设计的限制,且其商业化仍具有挑战.这里,我们概述了晶体管传感器面临的主要挑战,并探讨了应对这些挑战的晶体管传感器设计与开发思路.最后,强调了该类2D晶体管传感系统走向商业化需做出的改进.与其他电学传感器相关技术的发展历程类似,文中所阐述的观点也对生物电子学其他领域的发展具有一定的启示作用.     

下肢外骨骼服传感靴的结构优化分析

为实现对骨骼服的控制, 需要确定人体正常步行时脚底压力载荷分布情况,为此研制了一套可靠耐用的骨骼服传感靴.通过分析比较现有各种测力鞋垫系统,提出一种只需在传感靴底部的适当位置放置3个压力传感器就可以准确测量步态压力且性能更可靠的结构优化方案.试验结果表明,优化后的传感靴可以更快速准确地测量出不同步态时的脚底压力,有效提高外骨骼跟踪响应速度,可用于外骨骼机器人系统和改进控制算法设计.     

碳基导电材料在传感检测分析中的应用研究进展

碳基导电材料是指以碳原子为骨架的材料体系,具有结构多样、可调控性强和化学稳定性高等优异性能。将碳基导电材料引入传感检测分析可以改善传感器的信号强度,提高传感检测分析的稳定性。与传统材料制成的传感器相比,使用碳基导电材料制备的传感器检测分析物质具有更高的灵敏度、更低的检测限及更宽的线性范围。因此,基于碳基导电材料的检测分析技术已显现出巨大的潜力,在医学诊疗、环境监测和食品检测等领域均具有广阔的应用前景。本文介绍了以维度划分的碳基导电材料的类别及其所制备的传感器在传感检测分析中的应用,提出了碳基导电材料及其所制备的传感器在检测分析物质中存在的问题及挑战,并对未来研究的趋势进行了展望。     

MXenes在柔性力敏传感器中的应用研究进展

随着可穿戴柔性电子技术的发展, 高灵敏度和宽感应范围的柔性力敏传感器的需求量逐渐增大, 如何选择兼具高导电性和良好柔性的材料作为传感器的敏感材料是获得高性能传感器的关键。近年来, MXene材料因其导电性好、柔韧性高、亲水性好以及合成可控等优点成为一种极具潜力的导电敏感材料。本文就MXene基柔性力敏传感器的类型、敏感材料的微结构设计方式、传感性能及传感机理等方面的研究进展进行了阐述和总结。     

基于二维仿生离子通道的软物质压电体(英文)

本文重点介绍了二维层状材料中软物质压电行为的研究.生物电体系中,细胞膜上层级排列的离子通道和离子泵形成集成化的纳米尺度的离子导体,它们成为生命体系能量转换的关键结构基础.近年来,科学家们利用人工制备的基于石墨烯的二维层状材料构筑了二维纳米流体网络,来模拟生物起电细胞的结构和功能,实现了可控的物质输运和高效的能量转换.与传统的一维纳米通道不同,二维纳米通道中的物质输运仅在垂直于通道壁的方向上形成纳米受限.这种结构一个最直接的好处是能够在不牺牲通道壁的表面调控作用的前提下,大大降低了通道对流体输运的阻碍,提升了通道的集成密度.另外,现有的纳米孔道制备技术严重地依赖昂贵的科学仪器和复杂的材料处理步骤,因而使得纳米孔道技术在经济性能上离实用化的要求还有很大一段距离.本文中介绍的利用二维层状材料构筑纳米流体通道的方法,可以通过控制自组装过程中的参数控制,达到对通道结构的控制.这一合成策略大大推动了单一纳米尺度的器件研究向大规模、低成本的纳米制造技术的迈进,并且激发了其在超滤、能量存储与转换、环境和传感等方面的应用.二维层状材料中的软物质压电行为的驱动力,可以被拓展到机械压力、化学梯度、温差、光辐射等更为广义的范畴.     

智能时代下的新型柔性压阻传感器

传感器是能将外部物理激励转换为电信号的核心器件。随着物联网、生物医疗、人工智能等新兴领域的发展,传感器的性能与其适用环境的标准愈来愈高,全球的科学技术研究学者在不断地探索各类新型传感器技术。近年来,具有新材料、新结构、高性能的柔性传感器已被广泛报道,其材料选择、结构控制、制备工艺流程等技术不断完备。其中,柔性压阻传感器的工作原理是将一系列的外加压力信号转换为电信号。性能优异的柔性压阻传感器具有高灵敏度、高线性度、大测量范围、快速响应和高重复性等特点。传感器的微观结构是决定其性能的主要调控因素。传统的传感器表征测试方法只能静态地测量器件的结构,却无法在器件工作状态下实时地、动态地监测材料结构和化学成分的变化对其电学性能的影响。原位表征测量技术的出现可以解决上述问题,为进一步提升传感器性能提供了直观的实验支持。与此同时,单一传感器不能满足信息时代的技术需求,阵列化、智能集成系统成为未来传感器技术发展的主流趋势。智能传感系统不仅具备柔性压阻传感器采集信号的功能,还将传感器与设计的集成电路相连,通过电路对采集到的数据信息进行传输与处理,使用人工智能神经网络算法进行计算,完成数据的智能分析与处理,最终将数据传输到终端显示,展示出人体生理健康信息监测所需要的信息与智能化分析结果。本文主要归纳了近年来柔性压阻传感器的智能化进展,结合原位表征技术阐明了柔性压阻传感器的微观结构与性能的关联机制,探讨了基于柔性压阻传感器的智能系统构筑,最后展望了柔性压阻传感器与多功能智能传感系统未来的发展趋势及研究重点。     

Stewart式六维力传感器轻量化设计

空间复合力测量是空间感知技术的重要发展方向之一。六维力传感器作为主要的空间复合力测量装置,被广泛应用于火箭发动机推力测试、航天器对接等领域。目前,轻量化已成为六维力传感器的主要研究方向之一,但由于其设计指标多且各项指标间存在相互制约,故采用理论推导、数值仿真及实验验证相结合的方法进行研究。首先,利用螺旋理论建立Stewart式六维力传感器在理想条件下的力映射模型,通过求解综合性能目标函数来确定其各向同性度理论最优时的结构参数。然后,利用ABAQUS有限元分析软件构建Stewart式六维力传感器仿真模型,并对其初始样机的质量、刚度、强度和灵敏度进行了详细分析;在此基础上,分析了上、下加载盘主要结构参数对传感器质量、刚度和强度的影响,进而对加载盘结构参数进行了优化并设计了一种具有正四面体特征的半球形减重结构,实现了传感器的轻量化设计。最后,对优化后Stewart式六维力传感器的性能进行了仿真分析和实验验证。结果表明,基于多目标参数优化结合数值仿真、实验验证可有效提高设计效率和降低设计成本;所设计的减重结构可有效改善Stewart式六维力传感器的质量分布和提高其质量利用率,优化后传感器的质量减小了17.65%且综合性能优异。研究结果可为六维力传感器的轻量化设计和综合性能优化提供参考。     

带温度补偿基于薄壁圆筒结构的光纤光栅压力传感器

阐述了一种带温度补偿、基于薄壁圆筒结构的高量程光纤光栅（FBG）压力传感器.薄壁圆筒直接作为弹性体,在压力作用下产生轴向位移来拉动压力敏感光纤以实现压力传感;通过被动温度补偿和残留温度效应主动实时修正来共同消除薄壁圆筒和压力敏感FBG的温度漂移;同时,对带温度补偿的FBG压力传感器的温度稳定性进行了讨论,给出了理想情况下该系统可达到的最优温度稳定性及决定因素.研究结果表明：基于30CrMiSiA材料管道结构的FBG压力传感器可以进行压力传感,其重复性为0.505 2%;回程误差为4.006%;线性度为0.285 5%;传感器精度为±2.639 8%;基于温度补偿进行温度去敏也有很好的效果,在-30～100℃范围内,该系统的温度稳定性因子为9.079 6%;随着实验温度范围减小至0～60℃,系统温度稳定性因子也减小至4.0%.     

高灵敏度MEMS三维矢量风速计设计

本项目针对矿井通风监测问题,提出仿蟋蟀尾须纤毛的MEMS三维矢量风速计,实现三维风向和风速感知.传感器传感单元采用四梁支撑结构,信号接收区域采用"盘型"结构接收X,Y和Z方向的风速信号,在满足测量带宽前提下实现三维方向的高灵敏度检测.分析了三维MEMS矢量风速计的敏感机理,根据三轴受力分析,合理排布悬臂梁上压阻的惠斯通电桥检测方式;通过ANSYS仿真分析了"盘型"直径对敏感梁应力和结构谐振频率的影响;在优化的结构参数下分析了X,Y,Z三轴灵敏度.仿真结果表明:盘型结构设计可以实现三维风速感知,相比于一维和二维风速计而言在探测维度上有所改进.     

基于昆虫振动感受器的谐振式硅微机械压力传感器结构设计

针对谐振式硅微机械压力传感器输出信号十分微弱、检测难度大的问题,从结构设计的角度分析了相应的解决方法。将对昆虫孔缝结构振动感受器的研究与谐振式微机械压力传感器的设计相结合,提出在谐振敏感结构中引入孔缝结构,通过孔缝应力集中效应提高检测信号的强度,实现传感器检测性能的提高。     

电磁力驱动的微夹持技术

在生物操作和微装配中,需要微力传感器控制操作过程,以保证操作的有效性.为此,设计了集电磁力驱动和压电传感于一体的夹钳,利用螺线管与小永磁体产生的排斥力驱动夹钳闭合,通过改变螺线管电流的大小来控制夹钳夹持力.夹钳夹持物体时,聚偏二氟乙烯(PVDF)产生压电效应输出电压,电压的数值确定了夹持力.利用共振频率方法测量PVDF膜片刚度,结合显微视觉系统测量膜片变形,可以确定夹钳受到的力,从而获得夹钳受力与输出电压的关系.实验结果表明,采用共振频率方法精确测量出的膜片刚度为110.7μN/μm,夹钳力传感分辨率为1.1mN.     

结构连续变刚度控制有效性分析

作为半主动控制系统的经典范例之一,变刚度控制系统已经在结构控制领域得到了广泛的认可,但是近来的研究显示传统变刚度控制系统抑振频带窄,而且对于加速度控制是不利的.鉴于此,拟研究提出一种新型的变刚度控制系统以提高其控制性能.首先通过反应谱分析了常规变刚度控制系统的不足,然后在此基础上提出一种新型的半主动连续变刚度控制(SCVS)系统以克服上述缺陷,并进行了相应的数值模拟.数值计算结果验证了该系统的有效性.建议系统相比传统变刚度控制系统不仅可以大幅拓宽控制系统的抑振频带,而且有利于同时提高地震激励下结构位移反应和加速度反应的控制性能.因此,相比传统的变刚度控制系统,建议系统更为有效.     

MXene在压力传感中的研究进展

近年来,压力传感器在智能可穿戴纺织品、健康监测、电子皮肤等领域得到了广泛应用。二维纳米材料MXene的出现,为压力传感带来了全新的突破。Ti3C2Tx是压力传感领域研究最多的MXene,具有良好的机械性能、高导电性、优异的亲水性以及广泛的可修饰性,是理想的压力传感材料。因此,近些年研究者们对MXene在压力传感器中的设计和应用进行了大量探索和研究。本文总结了MXene的制备技术和抗氧化方法。同时介绍了基于MXene的微结构设计,包括气凝胶/多孔结构材料、水凝胶、柔性衬底和薄膜。该类设计有利于提高压力传感器的响应范围、灵敏度和柔韧性,促进了压力传感器的快速发展。此外,进一步探讨了MXene压力传感器的工作机制,包括压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、电池式和纳米流体式等。MXene以其优异的特性而在各种机制的传感器中得到了广泛应用。最后,对MXene材料的合成、性质以及其在压力传感方面的机遇和挑战进行了展望。     

三联吡啶配位荧光结构及高效有机磷毒剂检测

有机磷神经毒剂可对人体健康和生命造成巨大危害,其检测技术是近年来的研究热点。本工作开发了基于三联吡啶的席夫碱改性结构TBH,以及性能更好的有机金属配合物TBH-Zn传感探针,并将其用于对沙林模拟物氯磷酸二乙脂(DCP)的液相检测中,此探针表现出极低的检测限,可低至26.6 nM,并对系列有机磷干扰物具备良好的选择性。相关表征和理论计算显示,金属配位结构与席夫碱结构协同调制,构造得到更高性能的“turn-on”敏感体系,荧光增强性能为TBH探针的约2.5倍。该配位型荧光探针设计策略,未来在高性能传感体系的设计中将发挥重要价值。