电容式压力传感器

本研究旨在提高电容压力传感器组成中采用多孔结构和锥形图案的传感器的灵敏度。本研究介绍了一种利用含聚二甲基硅氧烷( PDMS )的乳液和牺牲溶剂微波辐照制备多孔结构和锥形图案的简便快速的制备方法。通过这种方法，可以在几分钟内简单地制备出多孔PDMS介电层。在外压作用下，提高变形能力和提高介电常数，显著提高了灵敏度。研究了模式距离对传感器灵敏度的影响，当模式距离为600  μm时，传感器灵敏度可达5   kPa-1。此外，还通过有限元分析研究了长径比和纹样尖锐度的影响。最后，我们展示了使用传感器阵列和手指附着传感器的传感器的性能，它们显示出足够的性能，可用于适用于人造皮肤、手术机器人和压力监测系统等可穿戴设备。

柔性压力传感器在医疗、机器人、可穿戴智能设备和人机界面等领域的广泛应用引起了人们的广泛关注。虽然电极和介质的微结构已经被证明对压电电容传感器的灵敏度和响应速度有了显著的提高，但是微结构电极和介质的协同影响还没有讨论。这里，我们展示了一种柔性的压电电容传感器，它采用了微结构石墨烯纳米壁( GNWs )电极和由聚二甲基硅氧烷( PDMS )和氧化锌( ZnO )压电增强剂组成的共形微结构介质层。这种带有压电薄膜的微结构组装构建了微共形GNWs / PDMS / ZnO电极-介质集成( MEDI )，可有效增强灵敏度和压力-响应范围。该传感器具有灵敏度高( 22.3   kPa-1 )、响应速度快( 25   ms )、压力范围宽( 22   kPa )等特点。有限元分析表明，ZnO薄膜压电效应引起的极化电场大大增强了传感器的电容。此外，电极与介质层的结合可以消除相邻层之间的滑移，有效提高了机械稳定性。由于其优异的综合性能，机器人触觉感知领域的潜在应用已经被成功地展示出来，包括物体抓取、盲文识别和粗糙度检测。结构电容传感器中的MEDI技术为实现高性能电子皮肤提供了新的途径，在下一代机器人触觉传感领域具有巨大的应用潜力。

我们提出了一种由具有三维网络结构的中空聚二甲基硅氧烷( PDMS )泡沫制成的高灵敏电容式压力传感器。泡沫的刚度由PDMS溶液的粘度来调节。制备的PDMS-30 ( PDMS30wt % )泡沫具有极高的孔隙率( \u003e   86 % )，约为裸PDMS ( PDMS100wt % )泡沫的19倍。利用泡沫制备的电容压力传感器具有灵敏度高、压缩性好(可达80 %应变)、2000次循环试验输出特性一致等特点。

可穿戴电子设备的压力传感器安装在不规则的表面上，并暴露在各种外界刺激下。因此，传感器应具有结构灵活、测压范围宽、灵敏度高的特点。在本研究中，我们利用糖颗粒和油包水乳液，采用简单、经济的方法制备了分级多孔结构的聚二甲基硅氧烷( PDMS )复合材料。采用分级多孔PDMS复合材料作为柔性电容压力传感器的介质层。在较宽的测量范围内( 0 ~ 400  kPa )，电容式压力传感器的灵敏度比本体PDMS高22.5倍( 0.18  kPa-1 )。通过观察PDMS复合材料的压缩行为，对传感器的非线性进行了有限元分析。针对实际应用，对手指附着式传感器、呼吸监测系统和传感器阵列进行了测试，所提出的传感器在可穿戴电子领域显示出足够的应用潜力。

本研究旨在提高电容式压力传感器组成中采用多孔结构和锥形图案的传感器的灵敏度。本研究介绍了一种利用含有聚二甲基硅氧烷( PDMS )的乳液和牺牲溶剂的微波辐照制备多孔结构和锥形图案的简单快速的制备方法。通过这种方法，可以在几分钟内简单地制备出多孔PDMS介质层。在外压作用下，通过提高变形能力和提高介电常数，提高了灵敏度。研究了模式距离的影响，模式距离为600   μ m的传感器的灵敏度约为5   kPa - 1。此外，还通过有限元分析研究了长径比和花纹尖锐度的影响。最后，我们利用传感器阵列和手指附着的传感器对传感器的性能进行了验证，并将其应用于可穿戴设备，如人工皮肤、手术机器人和压力监测系统等。

柔性压力传感器因其在医疗、机器人、可穿戴智能设备和人机界面等领域的广泛应用而备受关注。虽然电极和介质的微结构已经被证明对压电电容传感器的灵敏度和响应速度有了显著的提高，但是微结构电极和介质的协同影响还没有讨论。在此，我们展示了一种柔性压电电容传感器，该传感器采用微结构石墨烯纳米壁( GNWs )电极和由聚二甲基硅氧烷( PDMS )和氧化锌( ZnO )压电增强剂组成的共形微结构介质层，这种微结构组装在压电薄膜上构建了微共形的GNWs / PDMS / ZnO电极-介质集成( MEDI )，可有效提高传感器的灵敏度和压力响应范围。压电电容传感器具有超高灵敏度( 22.3 kPa-1 )、快速响应速度( 25 ms )和宽压力范围( 22 kPa )。有限元分析表明，ZnO薄膜压电效应引起的极化电场大大增强了传感器的电容。此外，电极与介质层的集成可以消除相邻层之间的滑移，有效提高机械稳定性。由于其优异的综合性能，在机器人触觉感知中的潜在应用得到了成功的展示，包括物体抓取、盲文识别和粗糙度检测。结构电容式传感器中的MEDI为实现高性能E - skin提供了新的途径，在下一代机器人触觉传感领域具有巨大的应用潜力。

介电弹性体是一种非常流行的复合材料，用于不同的应用场合。钛酸铜钙( CCTO )颗粒具有较高的介电常数，而聚二甲基硅氧烷( PDMS )是一种常用的柔性弹性体，具有良好的弹性能和耐久的耐化学性质，其复合材料在压力/力传感器的制备中显示出重要而独特的特性。为了提高电容式传感器的灵敏度，人们引入了各种弹性体的微结构，但迄今为止PDMS中用于制造微结构的方法较为困难，需要特种设备或强酸碱等危险化学品，否则产生的海绵样结构稍大，不能应用于非常小的场景。本研究采用萃取法制备了具有多个孔隙率的PDMS多孔微结构，探究了不同孔隙率和孔径对电容压力传感器灵敏度的影响，可以提高电容压力传感器的灵敏度、测力范围，也适用于微小场景。此外，目前制备多孔PDMS复合膜的方法也适用于其他较薄PDMS复合膜的制备。

柔性压力传感器在人类护理系统中有着广泛的需求。一种简单有效的传感器制造策略可以显著促进其应用。在此，我们采用一种简单的方法制备了一种带有聚二甲基硅氧烷微球修饰介质层的柔性电容压力传感器。由于微球结构，该传感器在0 ~ 10   k Pa范围内灵敏度达到0.048 k Pa-1，动态范围较宽(可达100   k Pa )。灵敏度是平面结构的9倍。此外，该传感器具有较低的检测限( 0.2   kPa )、较快的响应时间( 120   ms )和较好的稳定性( 20   kPa下加载/卸载1000次后变化小于3.30 % )。有限元分析表明，微珠结构对提高传感器性能至关重要。最后，压力传感器成功应用于触摸信号、关节运动和呼吸的检测，显示了其作为智能可穿戴设备的前景。该策略可为电容压力传感器的微结构设计提供新的思路。