基于椭圆阵列微结构的柔性织物压力传感器研究

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随着物联网技术与柔性电子技术的飞速发展,研究者对外部环境的采集深度和广度不断提升。柔性传感技术已然颠覆了学者们对传统刚性传感器件形态和功能的认知。作为一类重要的信息采集设备,柔性压力传感器被广泛应用于仿生电子皮肤和可穿戴设备等领域,给社会生活中的信号采集带来了巨大的变化。虽然针对高灵敏度柔性压力传感器的相关研究不断深入,但在应对不同形式的压力时,存在电极断裂、导电材料脱落、柔性衬底之间粘附性差以及制作成本高等问题。本文围绕柔性压力传感器在理论模型、制造工艺和应用环境等方面存在的问题进行了深入的研究,包括转印仿生微结构、制备柔性织物电极、标定性能指标和探究应用场景。设计了一种基于仿生倾斜类椭圆微结构的柔性织物压力传感器,其主要组成部分为上下平行电极板和中间介电层。柔性衬底及封装材料采用亲肤的聚二甲基硅氧烷(PDMS)高分子聚合物。通过MEMS工艺和PDMS软光刻工艺对玫瑰花瓣表面微结构进行选择和柔性转移,赋予介电层上下表面倾斜的椭圆微结构。采用罗纹织物作为导电单元嵌入PDMS衬底制备了全柔性电极。基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)有机硅化合物微结构介电层和织物电极进行制作封装,对其灵敏度、瞬时响应特性和稳定性等性能进行测试。在0-80 k Pa的检测范围内分多段进行线性拟合,其灵敏度最高可达0.145 k Pa-1(低压<1 k Pa),是同等厚度的PDMS平板传感器的7倍。响应和恢复时间为13 ms,可以实现对瞬态信号的精确采集和对梯度压力载荷动态信号(上限值为105 k Pa)的捕获。在超过7,000个周期的循环冲击操作后,传感器表现出优秀的重复性能和良好的稳定性。该传感器具备高灵敏度、低制作成本和高稳定性三大优势,在不同形式的环境压力作用下保持良好的工作状态。探索该传感器在不平整刚性表面和复杂人体表面等方面的应用,分别进行了单双击操作识别和指关节动作监测。通过设置不同抓取场景,实现对物体质量和温度的精准辨别。该传感器在健康检测、运动监测和人机交互控制等领域具有潜在的应用价值,为柔性传感走进生活日常提供新的思路。
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