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。     

SiC高温压力传感器电容芯片设计与仿真

MEMS压力传感器的研制已相当成熟,但在高温领域却遇到了许多问题,为解决高温环境下压力测量的问题,文中介绍了一种新型Si C高温压力传感器电容芯片的设计方案。应用Ansys有限元分析软件进行热-结构耦合场仿真分析,常温下电容芯片的灵敏度为1.3 p F/bar(1 bar=100 k Pa),300℃、500℃、700℃时灵敏度分别为1.4 p F/bar、1.54 p F/bar、1.74 p F/bar,表明这种结构在高温下仍具有较高的灵敏度,同时对结构进行模态仿真,由模态分析结果知,一阶频率为245 930 Hz,可知该结构具有很高的频响。     

高性能MEMS电容压力传感器的设计及其热分析

为了进一步提高接触式电容压力传感器的性能,设计了一种高性能双凹槽结构的接触式电容压力传感器,并对该传感器在高温环境中的总体性能进行了分析。推导了热传导和热弹性理论,并对影响传感器热分析的各个因素与温度的依赖关系进行了描述;在整个分析过程中,使用ANSYS软件并结合有限元方法对全尺寸传感器的热效应进行模拟。结果表明,在接触工作状态双凹槽接触式电容压力传感器的温度对输入(压力)-输出(电容)特性的影响是线性的,且线性范围内初始压力随温度的升高而降低;当温度载荷为550 K时,双凹槽结构的灵敏度为1.21×10-6pF/Pa,比传统单凹槽的0.8×10-6pF/Pa高出50%,表明该压力传感器有着非常优异的高温特性。     

浮动电极式三维柔性电容触觉传感阵列设计

提出了一种能够同时实现z-向压力与x-y向剪切力测量的新型三维柔性电容触觉传感阵列,采用浮动电极式的传感阵列结构设计,分别制作了基于FPCB的感应电极层和基于PDMS的浮动电极层,将脆弱的接口电路加工在底部的感应电极层上,大幅提高传感阵列的挠曲刚度。所设计的柔性电容触觉传感阵列在x-y和z-方向上的理论灵敏度分别为1.0%/m N和0.8%/m N。     

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。     

一种电容阵列式液位传感器的设计与实现

通过对电容式液位传感器的分析与研究,设计了一种新的电容阵列液位传感器。该传感器将电容一极板设计成阵列式结构,另一极板共用,采用基于充放电原理的微小电容检测电路,应用单片机XC886控制小电容器的选通、数据的采集和处理,计算出液位值,并通过CAN总线传送给上位机,实现实时监测。实测结果表明:该传感器受温度影响小、精度高、输出稳定,精度优于1%FS,零点漂移小于2×10-5FS/℃.     

新型接触式电容压力传感器

与其他类型压敏器件相比,接触式电容压力传感器(TMCPS)有着明显的优点,例如较好的线性,高灵敏度和大过栽保护能力等.为了达到更好的性能,设计了一种新型的接触式电容压力传感器(DTMCPS),这种新型的结构是在传统的TMCPS的底部电极上刻蚀了一个浅槽.与现有的接触式电容压力传感器相比,这种结构可以实现更好的线性和更大的线性范围.使用有限元分析软件对膜片的变形进行了分析并阐述了传感器的结构和工艺过程.分析结果表明这种新型结构的传感器可以在保持传统结构优点的同时实现更高的灵敏度,更好的线性和更大的线性范围.     

三维柔性阵列触觉传感器结构设计

为减少类皮肤三维柔性触觉阵列传感器设计的复杂度,本文比较了基于导电橡胶的几种传感器结构设计方法,提出了采用整体式框架结构,节点行之间独立的非线性传感器结构.此设计不仅有利于传感器结构的加工实现,而且大大地降低了解耦算法的复杂度.仿真结果表明基于该结构的传感器可以实现大规模三维柔性触觉的信息测量以及传感器规模的扩展.     

对称岛膜结构线性硅电容压力传感器设计

本文介绍了一种新型的方岛膜压力敏感电容结构,结合适当的接口技术可实现良好的线性化输出。     

电容层析成像系统阵列传感器的优化设计

电容层析成像系统的结构参数对电容敏感场灵敏度的分布有重要影响,进而影响重建图像的质量.本文提出了一种灵敏场均匀性的评价指标,并据此对电容层析成像系统阵列传感器进行了优化设计.     

MEMS高温接触式电容压力传感器

本文介绍了一种用SOI硅片和硅-硅键合MEMS技术制作的高温接触式电容压力传感器，并给出了详细的工艺制作流程。在对测试装置、测试电路进行了详细地介绍和深入分析后，用此测试电路对制作的传感器器件进行了高温测试。测试结果表明，传感器在小于250kPa的室温条件下工作，传感器的灵敏度为0．54mV／kPa;而在400℃条件下工作，传感器的灵敏度为0．41mV／kPa，传感器的零点飘移为0．1mV／℃。可见这种微传感器可在低于450℃的条件下正常工作，且具有很大的线性工作范围、良好的稳定性和较高的灵敏度。     

CMOS集成电容绝对压力传感器

CMOS集成电容绝对压力传感器是基于集成电路主流工艺集成的新型传感器,克服了传统传感器的缺点并利于批量生产,介绍了传感器的原理,结构及处理电路,并对微系统集成的概念及生产工艺进行了讨论,对传感器的应用前景及领域进行了展望与预测。     

液态金属泡沫柔性压力传感器设计及试验

采用低弹性模量且具有高介电常数的材料作为电容式压力传感器的介电层,是一种提高传感器灵敏度与初始电容信号的理想方法,然而这2个材料特性往往相互冲突。针对这一问题,提出了一种液态金属弹性体泡沫,其具有较低的弹性模量(10.2 kPa)、较强的可压缩性(70%应变)与高介电常数(5.5～20.9)。以该泡沫作为介电层,并设计带有屏蔽层的柔性电极,研制了一种高灵敏度、大初始电容信号的柔性电容式压力传感器。试验结果表明,该传感器灵敏度高达0.36 kPa^-1,响应/恢复速度快(<49 ms),迟滞低(8.7%),同时可检测低至4.9 Pa的微小压力,具有良好的稳定性与可靠性。此外,通过驰张筛筛板弯曲挠度变化测试验证了所研发传感器的有效性,与激光位移传感器的测量结果对比表明,该柔性压力传感器可准确检测弛张筛筛板弯曲挠度的变化。     

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。     

双面接触式电容压力传感器的设计及制造工艺流程

双面接触式电容压力传感器除了具有单面接触式电空压力传感器的优点,还有它的特别之处：双面接触式电容压力传感器施加同样的压力时,可以得到比单面接触式电容压力传感器增大一倍的电容量和灵敏度,而且不会因此增加多少成本;工作时可靠性更高,即使一面失灵还有另一面可以正常工作。文中就双面接触电容压力传感器的工艺进行了初步设计。     

基于阵列式电容传感器的流速测量

为了解决气固两相流物体在管道中传输速度难以测量的问题,设计了一种基于阵列式电容式传感器系统的硬件和软件。硬件部分包括电容式阵列传感器的设计、流速测量电路、以太网通信模块和模数转换模块等。软件部分主要包括基于STM32F429最小系统的软件设计、电容数据采集转换程序以及以太网通信程序等。实际实验结果表明,测得流速数据的实际值相比于理论值误差在5%以内,该系统具有稳定性好,测量精度高,传感器设计简单等特点。     

基于总线技术的智能压力传感器阵列的设计

针对航空发动机气路、液路系统等区域内的多通道压力参数测量,提出了一种基于总线技术的智能压力传感器阵列测量技术。产品采用小型化封装解决多通道压力感测单元集成,每路压力感测通道通过IIC总线技术实现与信息处理单元的数据传输,信息处理单元最终将采集参数通过CAN总线完成与外部连接。经实验测试:产品实现了8通道压力信号的高精度测量,测量精度达到0.1%FS,数据更新速率小于1ms。     

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。     

高精度电容压力传感器的有限元仿真

本文给出了采用有限元仿真来解决高精度电容传感器结构设计的具体作法,提出了减少电容传感器滞后误差的措施。文章最后还给出了研制样品的实测数据。