基于多孔弹性体的柔性压力传感器设计及其应用

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柔性压力传感器是一种兼具压力敏感和柔性的传感器件,是可穿戴电子设备的重要分支,因其在仿生皮肤、生物医学和人机界面等领域的广泛应用受到了国内外研究人员的重视。灵敏度一直是评价一个传感器性能的最重要指标,提高柔性压力传感器的灵敏度一直是科研学者的研究重点。触觉传感器中重要的力学敏感材料具有非常优良的延展性、出色的生物兼容性,弹性材料的微结构设计对改善触觉传感器件性能具有重要作用,成为研究者重点关注的内容之一。鉴于此,本文研究了一种基于多孔弹性体的柔性压力传感器。本文通过调控弹性体内的多孔结构和电极的图案,进而提高基于多孔弹性体的柔性压力传感器的灵敏度和检测范围,实现三维力检测和眼压测量的目标。基于多孔弹性体的柔性压力传感器遵循平行板电容器的结构与原理,由两个间距较小的平行导电织物层和一个具有多孔网络的弹性体组成。在弹性体内引入多孔结构,降低了材料的杨氏模量并增加了压缩下的相对介电常数。相比于无孔隙结构的传感器,灵敏度从0.01 N-1提高到0.039N-1。此外,本文通过将电极图案化处理,使得在多孔弹性膜上实现四个平行板电容器,以实现在空间任意方向上接触力的检测。通过识别具有不同粗糙度的表面、检测手持物体的滑动以及识别手写字母的三个应用,证明了基于多孔弹性体的柔性压力传感器在人造皮肤以及书法训练等应用中的巨大潜力。最后,本文在上述介电层表面引入凸起微结构,极大程度的提高了传感器的灵敏度(52.3倍),从而达到眼压测量的要求。本文旨在模拟指测法测眼压,此方法不需要器械消毒、无需局部麻醉、不接触眼球、无交叉感染。结果表明,基于多孔结构的眼压检测传感器具有较高的眼压测量准确度(误差在4%以内,且测量精度在-0.86~0.57 mmHg),进一步证明了该方法在开发下一代眼压计的应用中的巨大的潜力。
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