基于应变片压阻效应的柔性传感器阵列的设计

为了使应用于机器人"皮肤"的传感器满足柔性、可阵列化和灵敏度高的需求,在传统应变式压力传感器的基础上,提出了基于应变片的压阻式柔性压力传感器的设计方案。在实验室条件下,应用三元乙丙橡胶作为弹性元件,制作柔性压力传感器,根据应变片的压阻效应可知,在弹性元件表面的压力值与电阻的变化存在对应关系。为了能够快速识别每个传感器单元的受力信息,采用行扫描法对传感器阵列逐行扫描。为了能够大面积覆盖,采用FPC连接器对柔性传感器阵列块与块之间进行连接,以及进行传感器阵列与控制板之间信号的传递。     

喷印柔性压力传感器试验研究

柔性压力传感器是智能机器人和生物医疗等典型应用领域中的关键部件。针对10～50 kPa中等压力下对柔性压力传感器的高灵敏度、良好压力分辨率和快速响应需求,提出在PDMS基底上直写喷印石墨烯纳米片(GNPs)/多壁碳纳米管(MWCNT)构建S型折线图案化敏感单元,结合封装层微结构阵列,制备中压高灵敏度、低检测限的柔性压力传感器。试验结果表明,在压力为0～15 kPa和15～40 kPa的条件下,该传感器灵敏度分别为0.114 kPa–1和1.41 kPa–1,响应/恢复速度快(约100 ms/50ms)。同时,其也可检测低至约3Pa的微小压力。同时,该传感器更是能对不同发声进行准确的区分识别,对不同的指压信号进行精确稳定反馈。可见,喷印制造柔性压力传感器将为语音识别、人工假肢、制备高性能电子皮肤和医疗康复器件等提供可能的优选方案。     

一种压阻式微压力传感器

微压力传感器是微机电领域最早开始研究并且实用化的微器件之一，它结构简单、用途广。基于压阻效应、惠斯顿电桥等相关知识设计了一种压阻式微压力传感器。为增大灵敏度，设计了一种折弯形的压敏电阻。基于一些相关的微加工工艺制定了制作这种微传感器的工艺流程并且制作成功了传感芯片。设计了一个处理电路去获得此传感器的输出信号，它由两级放大电路和两级巴特沃斯低通滤波电路组成。最后利用这个测试系统检测出了随压力变化而发生变化的微电压信号。     

石墨烯-聚合物柔性电容传感器制备及性能研究

为了研究不同微结构对柔性电容式压力传感器性能的影响,采用成本较低的旋涂技术制备了无微结构、单层微结构和双层咬合微结构的柔性电容式压力传感器。通过对三种传感器进行测试试验,对比分析了具有不同微结构传感器的灵敏度,同时,对具有单层砂纸微结构传感器的响应特性、重复特性和迟滞特性进行了测试分析。试验结果表明,在20 kPa的载荷下,具有单层砂纸结构的柔性电容式压力传感器相较于其他两种传感器具有较高的灵敏度,在0～4 kPa的压力范围内灵敏度为0.451 kPa-1,4～6 kPa压力范围内灵敏度为0.14 kPa-1,6～25 kPa压力范围内灵敏度为0.03 kPa-1。制备的传感器具有较强的响应特性、良好的恢复性和稳定性,能够适应柔性可穿戴电子器件的应用需求。     

硅微超微压传感器设计

在分析已经商业化的压阻式、电容式、谐振式三类典型的硅微压力传感器各自优缺点和回顾它们微压化进展的基础上,确定了硅微超微压传感器(0～100Pa)的初步结构形式-电容式.针对设计过程中存在的主要难点:超薄平整感压薄膜的制备、高真空压力参考腔的获得与维持、高真空压力参考腔的电极引线以及微弱电容信号的提取,完成了两种差动结构方案的结构与工艺设计,对二者工艺和抗过载能力等方面进行了比较,为下一步的投片工作打下了基础.     

基于建筑变形监测的高性能压力传感器的仿真研究

为了实现高精准、实时性的建筑变形监测,设计建筑内嵌式柔性微型压力传感器模型,并通过结构优化逐步提高其对建筑物内应力信号的传感灵敏度与传感精度。利用COMSOL仿真软件构建基于PVDF压电式微型压力传感器有限元模型,通过对传感层进行表面微结构与体内孔隙修饰等方法改进器件结构,以此提高压电传感层的应变能力。研究结果表明,相比于传统平面传感层器件,其压力传感性能获得大幅提升,其中压电势传感信号增强490%,传感器灵敏度提升676%。最后,构建阵列化压力传感器模型,并通过优化结构提高传感器阵列对力学信号响应的空间分辨率,这有助于精准探测建筑物内应力的爆发位置与扩散路径。     

基于赝电容的高线性度柔性压力传感器研究

基于可逆氧化还原反应的赝电容式柔性压力传感器具备高灵敏性能,可用于微弱压力检测,然而,目前赝电容式柔性压 力传感器线性度较差,只能在有限压力区间内保持较高灵敏度。 为此,本文利用 MXene 材料作为电极,设计了一种内部具有孔 隙且表面粗糙的双尺度随机微结构离子凝胶膜,增加了其压缩过程中的缓冲空间,使凝胶膜应力变形更加均匀,确保了灵敏度 在受压过程中保持稳定。 实验数据表明,传感器在 0 ~ 1 MPa 范围内具有超高的线性度(相关系数 ~ 0. 994),优异的灵敏度 ( ~ 2 133. 7 kPa -1 )、快速的响应和恢复时间(分别为~15 和~23 ms),较低的检测限( ~ 2. 5 Pa)和优异的机械稳定性。 将传感器 用于水下,可高线性检测水深,同时传感器可以高灵敏检测到不同水深下螺旋桨扰动产生的微弱水流变化。     

柔性阵列电容式触觉传感器设计与实验

针对现有柔性触觉传感器柔性差、结构和加工工艺复杂等问题,设计了一种可用于智能机器人和健康监测领域中的柔性阵列电容式触觉传感器。传感器由上电极层、下电极层和中间介电层构成,每个电极层上有多个平行带状电极,且上下层电极互相垂直,电极垂直交叉点形成阵列传感器单元。介绍了柔性阵列电容式触觉传感的理论基础和结构设计,并根据阵列结构建立了信号采集和处理系统。实验证明,该柔性阵列电容式触觉传感器和信号采集系统有很好的稳定性和准确性,可获得其表面的压力分布情况,并可在上位机中图形化呈现。     

基于微纳压印的柔性PDMS薄膜传感器设计

利用性能优异的PDMS薄膜制备的新型柔性传感器柔性好、重复度高,可适应复杂曲面,其应用前景也十分广阔。采用PDMS薄膜为柔性基底,填充导电材料碳纤维制备传感元件,使用微纳压印的方法制备V槽形微结构把灵敏度提高到3.5 kPa~(-1);并总结出柔性PDMS薄膜传感器的制备方案,为柔性PDMS传感器的制备提供参考;最后按照实验设计对PDMS薄膜传感器的性能等方面开展了系统的研究。     

微结构模芯的精密磨削及其在微注塑成形中应用

针对微结构聚合物元器件的批量化生产与制造效率低等问题,采用精密修整成V形尖端的金刚石砂轮,在自润滑性和脱模性良好的钛硅碳陶瓷模芯表面加工制造出形状精度可控的V沟槽阵列结构,然后利用微注塑成形工艺将模芯表面的V沟槽阵列结构一次成形复制到聚合物表面,高效注塑成形制造出倒V形阵列结构的聚合物工件。分析了微模芯的表面加工质量与形状精度,研究了熔体温度、注射速度、保压压力、保压时间等微注塑成形工艺参数对微结构聚合物注塑成形角度偏差和填充率的影响。实验结果表明：通过微细磨削加工技术和微注塑成形工艺可以高效率、高精度地制造出规则整齐的微结构注塑工件,注射速度对微成形角度偏差的影响最大,保压压力对微成形填充率的影响最大,微结构模芯的微细磨削形状精度值为4.05 μm,微成形的最小角度偏差和最大填充率分别为1.47°和99.30%。     

多光束干涉光纤FP探针脉动微压传感研究

本文提出一种面向脉动微压传感的多光束干涉光纤法布里-珀罗(FP)探针。建立探针多光束干涉波长漂移与微压传感模型,分析其在气、液相环境中微压灵敏度差异。采用化学腐蚀、放电熔接、精密切割技术制备光纤探针器件。利用医用注射器、透明柔性软管、石英插芯构建微压测试环境,通过有限元仿真分析测试环境内部压强分布情况,在气相环境压强范围14.41～85.22 kPa、液相环境压强范围4.50～26.02 kPa的测试条件下,对3支光纤探针微压传感特性进行分析。实验结果表明,气、液相环境中,探针波长均随压强增大发生红移现象,反之,发生蓝移现象;气相环境探针平均微压灵敏度可达8.210 pm·kPa^-1,液相环境探针平均微压灵敏度可达66.720 pm·kPa^-1,高于气相环境,与理论模型相符。选取气、液相环境中微压灵敏度最高的光纤探针进行液相脉动微压传感特性研究。实验结果表明,5个脉动周期内探针波长响应良好,且重复性误差较小。本文提出的光纤探针结构紧凑,易于制备,灵敏度高,可实现1 Hz频率范围内的脉动微压传感,为液相环境脉动微压传感提供了重要的参考价值。     

微机械梁膜结构1kPa量程压力传感器

采用微机械加工技术可以制作出管芯尺寸小而灵敏度很高的压力传感器。目前微压压力传感器产品的量程已达5～10kPa。本文介绍了采用微机械梁膜结构的压力传感器设计(PT—24),结合适当的工艺可以制成量程为1kPa的器件。     

基于微半球结构液态金属弹性体的柔性电容式压力传感器北大核心CSCD

为了提高电容式传感器的灵敏度,设计了基于微半球结构液态金属弹性体柔性电容式压力传感器。该传感器以液态金属(LM)和弹性体(Ecoflex 00-30)作为介电层材料,采用模板法构建出微半球结构弹性体表面,选用柔性印刷电路板(FPCB)作为传感器上下电极。研究分析了微半球结构和液态金属填料体积分数对传感器灵敏度的影响。实验结果表明,掺杂40%体积分数LM的微半球结构传感器灵敏度高(0.721 kPa;)、检测极限低(<1.23 Pa)、响应时间短(<450 ms)、稳定性良好。该传感器可用于氢燃料电池气压泄漏检测。     

适用于恶劣环境的MEMS压阻式压力传感器

为了消除潮湿、酸碱、静电颗粒等恶劣环境对压力传感器压敏电阻的影响,提出了一种新型结构的压阻式压力传感器.该传感器将压敏电阻置于应力薄膜的下表面并通过阳极键合技术密封在真空压力腔中,从而减少了外界环境对压敏电阻的影响.介绍了此种压力传感器的工作原理,使用ANSYS软件并结合有限元方法模拟了压敏薄膜在压力作用下的应力分布情况.最后,利用微机电系统(MEMS)技术成功制作出了尺寸为1.5 mm×1.5 mm×500 μm的压阻式压力传感器.用压力检测平台对该压力传感器进行了测试,结果表明,在25～125℃,其线性度小于2.73％,灵敏度约为20mV/V-MPa,满足现代工业使用要求.     

石墨烯/柔性聚乳酸自传感复合材料结构3D打印与性能研究

为了深入研究石墨烯复合材料压阻特性,解决压阻复合材料定量传感问题,实现自传感结构变形监测,通过球磨混合工艺和单螺杆挤出工艺制备了石墨烯/柔性聚乳酸复合丝材,采用材料挤出成形3D打印作为石墨烯/柔性聚乳酸自传感复合材料的结构成型工艺,对导电高分子复合材料的压阻特性展开研究,探究了不同载荷条件对复合材料压阻特性的影响规律,为实现自传感结构变形监测提供了可靠的依据.最后搭建了基于LabVIEW和实时数据采集模块的自传感结构变形重构实时监测系统,通过建立平面弯曲变形传感单元的计算模型,使用阵列传感单元实现了结构变形重构实时监测功能,其中重构形状误差低于3％.     

HEMT高灵敏度微加速度计的设计与测试

根据压阻传感原理设计了GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)器件与Si基悬臂梁-质量块结构集成的微加速度。通过ANSYS结构应力仿真,GaN基HEMT作为敏感单元置于微悬臂梁结构根部的应力最大处。同时对微加速度计的关键研制工艺进行了设计和研究,成功制备出具有力电耦合特性的传感结构。并且测试了微结构在静态0～10g的惯性测试,结果表明GaN基HEMT器件具备明显的力电耦合效应,该微加速度计的灵敏度为0.24 mA/g,线性度为12.4%,适合研制高灵敏度的微加速度计。     

微型柔性热敏传感器阵列应用研究

边界层分离点检测是实现分离流主动控制的前提和基础，也是气动控制灵巧蒙皮系统研究的重点和难点。以流体边界层分离点检测技术为研究对象，以流体边界层分离点判定的风洞实验为验证目标，设计制作微型热敏传感器与聚酰亚胺柔性衬底，并首次利用微装配技术集成分立敏感元件与柔性衬底形成热敏传感器阵列。首先，采用分立元件通过表面贴装工艺来实现柔性微型热膜传感器阵列的集成，并研究该传感器阵列中敏感元件、柔性衬底的设计及传感器的排布。然后，在低速风洞实验中对传感器阵列的性能和传感器阵列输出信号采用统计量算法的方式进行处理判断，判定圆柱翼型的流体分离点位置。最后，对实验的结果所作的分析表明，该微型柔性热敏传感器阵列满足流体分离检测系统实时性、动态性的要求。     

基于双层微结构电极的柔性电容式压力传感器

为了研究电容式传感器电极表面有微结构对自身灵敏度的影响,设计了一种基于双层微结构电极的电容式压力传感器,其以表面溅射有导电金属的带有金字塔微结构的PDMS薄膜作为上下层电极。该方法设计的传感器能够明显地提高传感器的性能,灵敏度可达0.34 kPa~(-1),是无微结构电极传感器灵敏度的17倍,具有低的检测极限(最低为20 Pa)、较快的响应时间(200 ms)和可靠的重复性。实验表明,该传感器能够实时快速地的检测外部压力的变化。     

心肌细胞传感器及其在生物医学中的应用

传统心肌细胞电生理的研究,因其对细胞的穿刺损害作用,难以实现长时程测量,同时也难以实现对细胞群体的多位点同时测量.该研究采用微机械加工技术开展了基于细胞传感器(cell-based biosensor)的微电极阵列(microelectrode array, MEA)和光寻址电位传感器(light addressable potentiometric sensor, LAPS)等生物传感器技术,在传感器芯片表面培养了心肌细胞,并对其电生理特性进行了传感测量.该技术可对多个细胞同时进行长期、无损检测,在药物筛选、环境检测等生物医学领域具有良好的应用前景.     

陶瓷微板热隔离半导体气体传感器阵列设计与实现

具有高浓度、挥发性、强氧化性的液氯、氮氧化物等危化品泄露、爆炸的安全检测一直是一个难点问题,要求检测传感器具有较宽量程和抗腐蚀设计。基于Al N陶瓷的微热板半导体气体传感器阵列设计,采用耐腐蚀的Al N陶瓷为衬底,物理化学性能稳定的Pt膜作为信号和加热器电极,经杂化修饰的In-Nb复合半导体氧化物为敏感材料,结合柔性光刻剥离工艺和激光微加工工艺,制备了陶瓷微板热隔离气体传感器阵列。为验证传感器阵列热结构设计的合理性,进行了有限元热仿真分析,优化了设计结构。经静态气敏测试分析,传感器阵列对浓度体积比500×10~(-6)的Cl_2和100×10~(-6)的NO_2两种气体的气敏响应时间分别为30 s和60 s左右,灵敏度最高分别为275倍和4倍,且在0~500×10~(-6)和0~100×10~(-6)检测范围均具有良好的气敏特性,对Cl_2等高浓度宽量程危化品气体检测具有良好的应用前景。