柔性傳感器因其在可穿戴電子、人機(jī)交互和智能機(jī)器人方面的潛在應(yīng)用而吸引了研究興趣。目前，柔性壓力傳感器有四種主要的傳感機(jī)制：電容式、壓阻式、摩擦電式和壓電式。柔性電容式壓力傳感器具有制備成本低、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。因此，研究人員對(duì)電容式壓力傳感器進(jìn)行了深入研究。

 背景介紹

     柔性電容式壓力傳感器由平行的上下電極和夾在它們之間的介電層組成。先前的研究表明，通過在柔性壓力傳感器的介電層內(nèi)構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)圖案，在壓力下更容易產(chǎn)生變形，從而提高了柔性壓力傳感器。同時(shí)，圓柱形結(jié)構(gòu)、金字塔結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)和砂紙結(jié)構(gòu)已被用于增強(qiáng)柔性傳感器的傳感性能。然而，使用諸如砂紙結(jié)構(gòu)的模具制備的傳感器具有不規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)，使得難以確保由同一批次制備的壓力傳感器具有相似的性能。此外，由于大規(guī)模制造高靈敏度柔性傳感器極具挑戰(zhàn)性，不規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)往往導(dǎo)致壓力傳感器的耐用性相對(duì)較差。

為了制備高性能柔性壓力傳感器，許多研究人員致力于研究可用于柔性傳感器的材料。已研究的主要柔性材料包括硅橡膠、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和水凝膠。上述材料具有高度柔性，能夠制備納米尺寸的結(jié)構(gòu)。通過使用這些柔性材料，研究人員可以實(shí)現(xiàn)更具創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)模式。大多數(shù)電容式壓力傳感器使用激光技術(shù)、靜電紡絲和其他轉(zhuǎn)移方法來構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)。盡管這些結(jié)果提供了令人印象深刻的性能，但制備過程耗時(shí)、復(fù)雜且成本高昂。

 研究亮點(diǎn)

1. 本工作設(shè)計(jì)了一種基于仿生獵豹腿微結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器，驗(yàn)證了仿生微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，并使用3D打印技術(shù)優(yōu)化了結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。
2. 受獵豹腿型啟發(fā)的壓力傳感器具有高靈敏度（0.75 kPa⁻¹）、寬線性傳感范圍（0–280 kPa）、約80 ms的快速響應(yīng)時(shí)間和出色的耐用性（24000次循環(huán)）。
3. 該傳感器可以識(shí)別手指操作的鼠標(biāo)，監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)，并傳輸莫爾斯電碼信息。

 圖文解析

圖1（a） 壓力傳感器結(jié)構(gòu)靈感。（b） 壓力傳感器準(zhǔn)備流程圖。（c） 壓力傳感器示意圖。

圖2 壓力傳感器的模擬。不同位移下的應(yīng)力分布：（a）微圓柱，（b）傾斜微圓柱，和（c）仿生獵豹腿。（d） 壓力傳感器在低壓和高壓下的三維應(yīng)力分布。（e） 傳感器優(yōu)化參數(shù)示意圖。

圖3（a，b）仿生微結(jié)構(gòu)的間距對(duì)柔性傳感器靈敏度的影響。（c，d）仿生微結(jié)構(gòu)的傾斜角度對(duì)柔性傳感器靈敏度的影響。

圖4 壓力傳感器的特性表征。（a） 壓力傳感器電容響應(yīng)曲線。（b） 壓力傳感器在20、40和100 kPa壓力下的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間分別為80和90 ms。（c） 壓力傳感器的滯后誤差為9.3%。（d）柔性傳感器的低壓檢測。（e） 柔性傳感器的可重復(fù)性。（f） 柔性傳感器在不同壓力下的穩(wěn)健性。（g） 柔性傳感器的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（h） 柔性傳感器的溫度性能擾動(dòng)試驗(yàn)。（i） 柔性傳感器的濕度干擾測試。

圖5 壓力傳感器的性能表征。（a） 電容式壓力傳感器在不同壓力（8、10、12和14 kPa）下的電容響應(yīng)的重復(fù)性。（b） 傳感器在不同速率（40、80和160 mm/min）下的電容響應(yīng)。（c） 將電容式壓力傳感器的靈敏度和量程與現(xiàn)有研究進(jìn)行了比較。（d）電容式壓力傳感器24000次循環(huán)的耐久性測試。

圖6 用于手指操作鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)識(shí)別的壓力傳感器應(yīng)用程序。（a） 鼠標(biāo)快速點(diǎn)擊響應(yīng)曲線。（b） 正常速度點(diǎn)擊鼠標(biāo)響應(yīng)曲線。（c） 快速點(diǎn)擊輪響應(yīng)曲線。（d） 滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪響應(yīng)曲線。（e） 四個(gè)手指操作的鼠標(biāo)動(dòng)作的三維PCA聚類。

圖7 壓力傳感器在智能操縱器中用于抓取對(duì)象。（a） 夾緊塑料塊。（b） 抓著一個(gè)娃娃。（c） 抓著一個(gè)桔子。（d） 智能機(jī)械手抓取物體的二維PCA分類。

圖8 用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的壓力傳感器。（a） 手指點(diǎn)擊。（b） 拳頭按壓。（c） 手腕彎曲。（d） 頸部彎曲。（e） 肘部彎曲。（f） 膝蓋彎曲。（g） 腳部壓力。（h） 呼吸。

圖9 壓力傳感器用于傳輸莫爾斯電碼信息。（a） 這26個(gè)字母對(duì)應(yīng)莫爾斯電碼。（b） 壓力傳感器傳輸莫爾斯電碼信息“獵豹”。（c） 壓力傳感器的計(jì)算機(jī)接口顯示發(fā)送莫爾斯電碼信息“LEG”。

來源 l MEMS

(責(zé)任編輯：admin)

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