基于微结构的柔性压力传感器的设计

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随着信息社会的发展,物联网技术的不断进步,人们对周边环境信息的采集深度与广度不断提升,微型柔性压力传感器作为一类十分重要的信息采集器件得到越来越广泛的应用。该类器件已经为社会生活的多个方面带来了革命性变化,例如被广泛在机器人,可穿戴电子设备,人机交互等领域。传统的医疗设备都是刚性的压力传感器,不易于穿戴和携带。但柔性压力传感器的制备方法比较复杂,成本高,灵敏度低和传感器阵列的制作也是一个挑战。本研究利用微机电技术,采用柔性高分子材料“聚二甲基硅氧烷”(PDMS)取代传统硬式基底,来设计柔性电容式压力传感器。以柔性材料作为底材,所制作出的电容式压力传感器具有弯曲性,可适应于各种曲面的物体。绝缘介质层为PDMS,使其弯曲前后的初始电容值不易因弯曲而造成改变。本文推导了压力与电容的理论关系。对本论文所设计中间绝缘层分别为立方体结构、三棱柱结构、球体结构的柔性压力传感器进行仿真分析。球体结构在同等压力下产生的位移最大,但球体结构的位移分布不均匀,集中的中心区域,容易破坏电极板之间的平行,立方体结构和三棱柱结构位移分布比较均匀,三棱柱结构的传感器最大位移与球形结构相差不大,而且能保证两极板在压力的作用下保持平行状态。三棱柱结构、球体结构、立方体结构以及空白结构对照的传感器线性度分别为8.8%、7%、7.7%、0.09%,三棱柱结构下的传感器线性度最高。三棱柱结构、球体结构、立方体结构以及空白结构的传感器灵敏度分别为8.15(MPa-1)、6.5(MPa-1)、1.84(MPa-1)、0.12(MPa-1),三棱柱结构下的传感器灵敏度最高。综上可知三棱柱结构的线性度和灵敏度都是最高的,可知三棱柱结构的柔性压力传感器的性能最好。
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