柔性壓力傳感器是可穿戴設(shè)備中最重要的組件之一，其靈敏度、工作范圍和穩(wěn)定性是影響傳感器性能的關(guān)鍵因素。已有研究證明，在柔性壓力傳感器中引入微結(jié)構(gòu)可以有效地提高其傳感性能。不過，目前微結(jié)構(gòu)薄膜在工藝和性能等方面仍存在一些挑戰(zhàn)，有必要開發(fā)一種可以靈活改變微結(jié)構(gòu)形狀、大小和間距的方法，以提高微結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié)性和準(zhǔn)確性。

 

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的研究人員提出一種基于微結(jié)構(gòu)納米復(fù)合薄膜（MCNF）的超靈敏柔性壓力傳感器，在較寬的測量范圍內(nèi)具有高靈敏度和穩(wěn)定性，既能檢測微小壓力信號（手腕脈搏），也能檢測較大的壓力信號（手指按壓和鼠標(biāo)點擊）。憑借其設(shè)計簡單、成本低、一致性高等優(yōu)勢，該MCNF柔性壓力傳感器有望適用于各種可穿戴設(shè)備和潛在應(yīng)用。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Micromachines期刊。

 

在本論文中，研究人員提出一種簡單易復(fù)制的柔性壓力傳感器制造方法。首先，采用機(jī)械有限元法（FEM）研究了微觀結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對傳感器性能的影響，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。接著，使用印刷電路板（PCB）基材模壓多壁碳納米管/聚氨酯（MWCNT/PU）導(dǎo)電復(fù)合材料制備出活性層。最后，通過將活性層和叉指電極相結(jié)合制備出MCNF柔性壓力傳感器。

 

MCNF柔性壓力傳感器的制備工藝

 

通過一系列對比試驗，研究人員驗證了該MCNF柔性壓力傳感器具有高機(jī)械穩(wěn)定性和長期耐用性。其可靠性歸因于板條微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、PU基板的機(jī)械柔性以及魯棒性。由于板條微結(jié)構(gòu)的寬間距比越小，對應(yīng)的MCNF柔性傳感器應(yīng)變率越大，響應(yīng)靈敏度越高，而MCNF接觸面積變化率越大，其變形越容易，壓阻響應(yīng)越敏感。因此，在對MCNF施加壓力的過程中，其獨特的微結(jié)構(gòu)能夠顯著增加MCNF和叉指電極之間的接觸面積，從而有效提高傳感器的靈敏度。

 

 

MCNF柔性壓力傳感器的傳感性能。（a）有無微結(jié)構(gòu)傳感器的壓力響應(yīng)。（b）相同MWCNT含量、不同微結(jié)構(gòu)MCNF傳感器的壓力響應(yīng)。（c）垂直平行放置于電極的MCNF傳感器的壓力響應(yīng)。（d）對比文獻(xiàn)研究與本研究傳感器的敏感度和工作范圍。

 

 

MCNF柔性壓力傳感器的循環(huán)加載實驗結(jié)果：模型−A循環(huán)加載（a）0–1 N和（b）0-5 N；（c）模型−A和（d）模型-E在0–10 kPa循環(huán)載荷下的壓阻響應(yīng)曲線。

 

該MCNF柔性壓力傳感器具有良好的傳感性能，可用于檢測多種人類活動引起的壓力變化。基于其在低壓和中壓范圍內(nèi)具有出色的線性度和靈敏度，可用于實時檢測來自手腕動脈的脈搏信號。此外，在檢測手指按壓和鼠標(biāo)點擊等大壓力信號時，該傳感器也表現(xiàn)出高穩(wěn)定性和靈活性。

 

 

 

MCNF柔性壓力傳感器在實時監(jiān)測人體活動中的應(yīng)用：（a）手指按壓；（b）鼠標(biāo)點擊；（c）實時脈搏檢測；（d）脈搏振動波形。

 

綜合而言，該MCNF柔性壓力傳感器具備高靈敏度、寬工作范圍和高靈活性，在微小壓力和大壓力檢測方面均具有顯著優(yōu)勢，可有效用于人體生理實時監(jiān)測。憑借其低成本、設(shè)計簡單、一致性高等優(yōu)勢，該MCNF柔性壓力傳感器有望在可穿戴設(shè)備、人機(jī)界面等領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力。

 

論文鏈接：https://doi.org/10.3390/mi13081164

（來源： MEMS)