基于丝网印刷的柔性湿度传感器研究

柔性是可穿戴类设备的基本属性,柔性湿度传感器可以用于检测皮肤湿度、呼吸频率等与人体健康密切相关的生理参数。为了满足丝网印刷的工艺需求,提出了一种银导电墨水的制备方案,分析了加热板、回流焊、马弗炉以及真空管式炉四种不同退火方式对银导电薄膜生长的影响,发现了加热板烧结后的银导线导电率高且成品阻值方差小。使用导电墨水制备电极,聚苯乙烯磺酸钠作为湿敏材料,在柔性衬底聚酰亚胺上印刷制备了平板式电容湿度传感器。该传感器在10%RH～90%RH湿度范围内可实现16.27 pF/%RH的灵敏度和1.65%RH的湿滞,具有良好的稳定性(最大误差0.22%)。通过对导电墨水的制备和烧结方式的研究,利用丝网印刷工艺制备了电容式柔性湿度传感器,为柔性湿度传感领域提供了参考。     

基于LCP衬底的柔性湿度传感器研究

介绍了一种新型柔性电容式湿度传感器.该柔性电容式湿度传感器采用液晶高分子聚合物(LCP)作为衬底,金属铜(Cu)作为叉指电极,聚酰亚胺(PI)作为湿度传感器的湿敏介质.LCP衬底的应用使得该传感器具有良好的柔性和可弯曲性.该柔性湿度传感器与传统硅基湿度传感器相比较具有成本低廉、结构简单、制作方便等优点.该柔性湿度传感器在25℃下的平均灵敏度为0.04%pF/%RH,最大回滞为±4.16%RH,其平均灵敏度在25℃~70℃范围内受温度影响较小.在25℃下其响应时间和恢复时间分别为36 s和39 s.该柔性湿度传感器可以应用于环境湿度检测、人工电子皮肤系统和可穿戴设备等领域.     

SnO2/MWCNTs/PVP电阻式柔性湿度传感器的制备及其性能研究

柔性湿度传感器在可穿戴式健康监测中发挥重要作用,合理选择柔性传感器的材料和工艺是制备柔性传感器的关键。为实现柔性基底的高性能湿度传感器,通过静电纺丝工艺在带有柔性电极的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的衬底上制备出SnO₂(二氧化锡)/CNT(MWCNTs多壁碳纳米管)/PVP(聚乙烯吡咯烷酮)湿度传感器和CNT/PVP湿度传感器。通过自主设计湿度生成和测试装置,对两种传感器的灵敏度、响应时间等参数进行测试。实验结果表明,两种湿度传感器输出阻值与相对湿度之间呈线性关系,SnO₂/CNT/PVP传感器的灵敏度是CNT/PVP传感器的3.3倍,说明掺杂SnO₂能显著提高SnO₂/CNT/PVP湿度传感器的灵敏度特性。     

高空湿度探测用加热式湿度传感器的研制

为实现高空高湿环境下对湿度的准确测量,本文设计和研究了集成加热功能的湿度传感器,在探空仪进行高空湿度探过程中利用两只加热式湿度传感器进行轮流加热除湿和湿度测量。通过对聚酰亚胺湿敏材料进行改性和合成,设计和制作了加热式的电容型湿度传感器,其灵敏度为0.2195 pF/%RH、响应时间小于1 s、湿滞为4.8%RH、半年漂移量在±0.3%RH以内。通过分析不同温度下的加热恢复时间,制定了加热式湿度传感器轮流工作的机制,轮流加热时间和周期分别为2s和120 s。并利用数据采集电路以及GPS探空仪对加热式湿度传感器进行了地面静态性能和高空动态性能测试,其高空湿度探测结果与VA SALA RS92的显示出较好的一致性和较低的湿度误差。本文研制的加热式湿度传感器能具有良好的地面性能,实现了交替加热除湿和湿度测量的功能,具有高空湿度探测的应用潜力。     

集成加热功能高分子电容式湿度传感器研究

针对高空气象探测领域中温湿度骤变产生水分凝结而影响测量精度问题，开展了集成加热功能的湿度传感器研究，通过仿真手段，优化了加热器结构；通过对感湿膜成膜工艺进行研究，提高了传感器灵敏度、降低了湿滞和响应时间；通过将MEMS工艺与有机薄膜成膜工艺相结合，实现了湿度传感器制作。按照湿度传感器测试方法进行了性能测试，结果表明，该湿度传感器灵敏度> 0.40 pF/%RH、湿滞<1.5%RH、非线性<1.5%、响应时间<2 s；对加热器除湿能力进行了试验，结果表明，启动加热2 s即可有效去除湿度传感器表面的液态水滴。     

基于金属有机框架化合物修饰的QCM湿度传感器

提出一种基于自行合成的钴金属框架化合物Co2(oda)2(4,4’-bipy)修饰的石英晶体微天平(QCM)的新型湿度传感器,研究了其制备条件、不同溶剂和不同修饰量对传感器性能的影响。实验结果表明:水在1.2×10-6～20×10-6范围内与频率变化量呈良好的线性关系,其相关系数为0.99903,检测灵敏度可达到87.40 Hz/10-6,检测限为0.16×10-6(信噪比为3∶1)。将此传感器在实际环境中对11%～95%RH进行了检测,结果显示频率对数变化logΔf与%RH呈良好的线性关系,其线性方程为logΔf=1.414 2+0.018 18%RH,R=0.999 65。该湿度传感器具有制备简单、体积小、选择性好、灵敏度高、稳定性好等特点,为湿度检测提供了一个新的方法。     

多孔硅相对湿度传感器的设计

基于对三明治型与平铺型两种多孔硅湿度传感器结构的灵敏度分析与比较,结合两种结构的优点,设计出新的传感器的结构。通过对该结构湿度传感器的性能测试,得出该传感器的灵敏度为1.1 pF/RH%,响应时间为73 s,温度湿度系数为0.5%RH/℃,该湿度传感器适用于在中低湿环境中测量,在每隔20 d的时间对传感器跟踪测试,证明该传感具有较好的稳定性。此外为了传感器可以自解吸附,该传感器采用多晶硅为传感器加热除湿,在金属电极上溅射一层钝化层以防止电极被水汽腐蚀。     

柔性压力传感技术及发展趋势

为了实现“治已病”向“治未病”的转变,用于人体健康监测的智能传感技术亟待研究。人体脉搏包含丰富的心血管系统参数,历来是临床健康评估的重要信息来源。因此,准确、有效地监测人体脉搏并分析其包含的生理健康参数,是预防和治疗心血管疾病的有效途径。随着传感技术、电子设备和人工智能的发展,可穿戴式的智能健康监测设备备受关注。为了实现随时随地的自主健康监测,越来越多的研究学者致力于柔性压力传感器在智能医疗领域的研究,旨在通过柔性传感器的设计,实现体表脉搏监测以评估人体心血管系统健康状况。根据传感器工作原理和结构的不同,介绍了用于人体体表脉搏监测的柔性压力传感器的最新研究进展,并对未来的柔性压力传感技术提出了展望。     

基于一维纳米材料的双层微波湿度传感研究

微波湿度检测方案在传感技术的推进下逐渐形成并得到全面发展,现阶段的研究主要从微波器件的结构设计展开,而忽视了对应的湿敏材料制备及优化。一维纳米材料因其高比表面积和孔隙率,是有助于提高检测灵敏度的优选敏感材料。本文设计了一款基于新型分裂环谐振器的双层微波传感器,利用高压静电纺丝技术制备了聚丙烯腈一维纳米材料,将该湿敏材料置于器件强电场聚集区域,在10 %RH~90 %RH湿度范围内实现了0.05 dB/%RH(基于插入损耗)、0.15 °/%RH(基于相位)的检测灵敏度、1.63 %RH(基于插入损耗)、3.56 %RH(基于相位)的湿滞,在稳定性检测中实现了最大误差0.21 %RH。结果表明除微波检测电极设计,湿敏材料的制备工艺也显著影响了微波湿度传感器的检测特性。     

基于双层微结构的碳纳米管柔性应变传感器的研究

设计了一种具有双层微结构的柔性压阻式应变传感器,并进行了制备方法研究。通过在半固化的环氧树脂基底(Ecoflex~? 00-30)表面制备形成碳纳米管(MCNTs)/环氧树脂(Ecoflex~? 00-30)复合薄膜,用毛刷制备微结构。通过测试分析可得,该柔性应变传感器具有高度可拉伸性能,可承受200%的应变,在0～80%,80%～170%,170%～195%的应变区间,GF值分别为10.5,40.5,190.5。将传感器进行可穿戴运动监测测试,可验证本传感器既可以实现手指和手腕运动等大动作应变的监测,输出电阻值相对变化达到7.5倍;也可以监测肌肉形变弯曲等小应变,输出电阻值相对变化达到1.4倍。     

基于RFID的无线无源柔性压力传感器研究

提出了一种基于RFID反向散射耦合原理的无线无源柔性压力传感器。该传感器以铁氧体薄膜作为反射层,柔性海绵作为中间层,RFID标签作为数据传输层。通过有限元方法对传感器的增益和杨氏模量进行仿真,并使用压力测试系统测量传感器的灵敏度,最后得到了同样的结论：在相同厚度下中间层为低密度海绵的传感器灵敏度更高。此外对传感器进行了一系列性能测试,得到传感器最大工作距离为10 cm,在温度测量范围(25℃～45℃)误差为0.91%,在湿度测量范围(43%RH～82%RH)误差为0.89%。该无线无源柔性压力传感器结构简单、生产成本低,增加了无线无源传感器在近场范围内的测量距离。在医用绷带压力检测、足底压力检测等智能医疗领域具有良好的应用前景。     

电化学法合成氧化锌/聚苯胺复合多孔薄膜的湿敏传感特性

为设计出一种适用于矿井内部的湿度传感器,采用电化学分步恒电流法,制备出多孔结构的聚苯胺薄膜,并将氧化锌颗粒负载于聚苯胺薄膜表面,获得一种无机/有机复合p-n异质结传感材料。并使用62.8%、72.5%、76.2%和86.8%四种湿度对传感器进行传感性能测试。结果表明当电流密度为19.2 mA/cm^2时,聚苯胺薄膜表面负载的氧化锌质量为5.85×10^-3 g,传感器的电化学活性面积(ESA)最大为268.5 m^2/g,传感器灵敏度达到峰值0.66。同时对传感器的传感机理进行了讨论。     

柔性可穿戴生命体征传感器的研究进展

作为可穿戴健康医疗设备的核心部件,柔性可穿戴生命体征传感器能穿戴于体表实现实时健康监测,为居家护理和健康预诊提供新的解决方案.围绕体温、心率、呼吸率和血压4种基本生命体征综述了近年来柔性可穿戴生命体征传感器的传感机制、测量方案和最新研究进展,提出了当前面临的问题和挑战,展望了未来的发展趋势.     

可穿戴脉搏压力监测系统设计

随着可穿戴电子技术的发展,人体生命体征的高效监测越发重要。提出了一种可穿戴脉搏压力监测系统的解决思路,此系统由3部分组成:脉搏压力监测传感器、信号处理与无线传输硬件系统、智能显示终端。采用柔性混合电子电路设计方案,即柔性基板电路和传统微电子相结合,实现了柔性可弯曲的无线采集系统,并自主设计制作了一种脉搏波形采集传感器,利用自主开发的APP将采集的脉搏信号实时传输到Android智能手机终端存储并在线显示。此系统集信息传感、信号传输、数据处理及在线显示于一体,在未来的健康监测、人机交互等领域具有巨大应用潜力。     

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。     

石墨烯/聚二甲基硅氧烷三维非织造结构压阻柔性压力传感器

压阻式压力传感器是可穿戴器件中的关键元件。由于优异的弹性性能,本文以三维聚酯非织造布作为基材,还原氧化石墨烯(rGO)作为活性材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性材料,组装三维(3D)压阻式压力传感器。该传感器具有良好的感应特性,包括短响应时间(120ms)和微弱的迟滞性(6.8%)。此外,该压力传感器可以用于检测人体的关节以及喉咙的运动情况。因此,该压阻传感器成本低、灵敏度高、耐久性优良,可以作为穿戴智能设备的理想的三维压阻式压力传感器。     

一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器及其在睡眠监测中的应用

针对日常睡眠监测的需求,提出一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/锆钛酸铅(PZT)压电传感器并对其性能进行了研究。首先,介绍了P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器的制作及封装流程。其次对其灵敏度,频率响应特性,瞬时响应和稳定性等进行了测试。结果表明,该传感器不仅具有良好的微观外貌形态,且相比于纯P(VDF-TrFE)压电传感器0.73 V/N的灵敏度,制备的含30%PZT的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器灵敏度是纯P(VDF-TrFE)压电传感器的2.5倍,达到了1.78 V/N。此外在低频下能够保持稳定压电输出且具备2 ms较快的响应时间。最后采用自制的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器测量人体心冲击信号,并通过支持向量机(SVM)训练睡眠分期模型实现了对睡眠质量的监测,四分类模型平均准确率达到72.5%,为可穿戴睡眠监测传感器的选择提供了参考。     

刺绣工艺影响金属混纺纱线织物电极的结构与性能

随着穿戴技术的发展，可穿戴监测设备逐渐成为人类健康的守护者。然而，传统的监测设备使用的银/氯化银电极，采用凝胶导电成分，贴肤舒适性差，并不符合穿戴设备长时间监测人体体征或健康的应用需求。设计和开发多种刺绣结构的织物电极，并测试了基于不锈钢导电纱线用电脑刺绣柔性电极的性能。实验结果表明：作为电脑刺绣最常用的针型，“他他米”针型以其均匀的纱线接触点和空隙，大大降低了织物电极的电阻(0.65 MΩ～4.9 MΩ)和电极与人体皮肤之间的阻抗(2.455 MΩ),穿戴舒适性好，可满足长时间心电监测的需求。     

汽车空调温度湿度传感器设计

车用温度湿度传感器用于对汽车车厢内温度和相对湿度的自动监测,其性能直接影响空调系统的工作。设计的温度湿度传感器采用了一体化结构和强制空气流通的措施,能够在-30~85℃的环境中连续工作,并在湿度为20%~90%RH的范围内达到±5%的准确度,同时,具有较好的线性度。     

基于节省电路开销的湿度测控电路的设计

提出了一种运用混合信号的湿度测控电路的设计方案。湿度的变化是通过湿度传感器来侦测的，运用RC振荡原理把传感器的电阻值转换为频率的信号，并使用一片ROM与温度的补偿把此频率信号映射为实际的湿度，从而实现湿度的测量。根据所测量的湿度，设置最大最小值，进而控制外设来实现控制功能。电路设计避开了湿度传感器定标后的计算方法，从而大大节省了硬件开销。其中湿度测量范围为50%RH～90%RH，精度为±10%RH。此电路通过了XC4010系列的FPGA功能验证，精度达到上述指标。