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柔性应变和压力传感器解析

发布时间:2019-10-09浏览次数:1113返回列表

    压力传感器,也被称为触觉/应变传感器,近年来引起了许多研究的关注,尤其是基于皮肤的柔性电子器件。它具有灵活性、耐久性、生物相容性等独特优点,以及重量轻、应变灵活,使得压力传感器能够紧紧附着在人体皮肤上,实时监测心率、呼吸节律等生理健康状况。目前,文献中已经报道了多种高度敏感的传感器系统,这些传感器基于功能纳米材料或混合微/纳米结构,将外界刺激转化为电信号。按照其传导机制,可分为压阻、压电和电容式压力传感器。其中,压阻式测量电阻率变化被认为是zui常见的一种,因为这种通过将力的变化转化为电阻率的变化来进行系统设计和读出机制的方式比较简单。

    过去十年,对可穿戴应变器件的灵敏度、测量因子、线性度、滞后、响应、恢复时间以及超调行为等参数进行了改进。尽管如此,若想进一步提高柔性压力传感器的性能,其他设备的性能也应该考虑进去。如由于机械变形引起的传感性能的变化,使得动态变形下的压力难以准确测量。为了应对这一挑战,有研究者开发了一种基于复合纳米纤维的可弯曲、超柔性的电阻式压力传感器。传感器的弯曲半径即使下降到80μm,由于衬底薄(厚度< 2μm)以及材料本身的纠缠态纳米结构,使得传感器性能保持不变。这使得可精确测量三维表面上的法向压力分布,并且在注射针上缠绕器件前后性能变化很小。

    大多数皮肤感受器在去除外力后无法保留触觉信息。为了提高基于电子皮肤系统的通用性,可穿戴压力传感器的内存特性便不可忽视。与神经元间的突触类似,柔性记忆传感器可用于模拟大脑的记忆功能,存储模拟值。如通过将压力传感器的底部电极替换为记忆器件的顶部电极阵列,实现柔性触觉记忆器件,所施加的应变可以保持一周以上,几乎没有衰减。而基于有机压敏元件的有机非挥发性电阻存储器,保留时间更长,至少6个月。

    然而,柔性压力传感器记忆体的商业化仍然面临着巨大的挑战。一种基于柔性电阻变化非易失性浮动门随机存取存储器(FGRAM)阵列的柔性电子壁纸触觉触摸存储器阵列。由于InGaZnO薄膜晶体管具有在大尺度基片上实现集成电路的良好性能,因此被用作柔性压力传感器阵列的FGRAMs。例如,这种电子壁纸的价值在于它能够像留言板一样记住触摸信息。如果没有触摸,程序电压与FGRAM的栅极断开。在传感器上施加触觉触摸后,程序电压以阈值电压的正偏移提供给FGRAM。结果表明,用三支笔在器件上施加压力两小时后,仍能保持信息,触发- 15v擦除电压即可刷新信息。而且通过集成温度传感器,可以对室温进行记忆和控制。

    到目前为止,大多数以皮肤为灵感的可穿戴式应变传感器都是用来监测心跳或呼吸速率的,而心跳或呼吸速率与疾病密切相关。穿戴式应变传感器的另一种同样重要的应用是其监测物理运动和运动的能力。尽管各种可穿戴传感器在监测健康状况方面取得了巨大进展,但仅检测健康信息无法进行充分的分析来精准预测或诊断疾病。事实上,记录的健康状况,如皮肤温度或心电图(ECG),与受试者的身体活动密切相关。因此,同时检测人类活动/运动至关重要。运动传感器依赖于附着在手指或膝关节上的柔性应变传感器来监测它们的运动。然而,肢体运动并不总是与整体的体育活动相关,因此结合所记录的健康数据,可能导致诊断不准确。

    受剪纸艺术的启发,有人设计了由四根梁和三个应变传感器组成的三轴加速度传感器,来响应结构应变的变化。剪纸结构的引入,避免了拉伸引起的机电故障,同时提高了佩戴者的舒适度。研究发现,运动传感器的阈值加速度约为5-12 m s2,由加速度方向决定。通过对结构尺寸的合理调整,在光束长度(L)10.7 mm,宽度(W)0.35 mm时,可获得一个小于3 m s2的足够低的加速度阈值,使其有可能检测到人类的轻活动。为了使加速度传感器能够适应更广泛的人群,需要进一步的设备开发,通过将这种运动/加速度传感器集成到功能更加灵活的设备中,可以同时监测身体活动、皮肤温度、心电图、紫外线照射等。

 





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