柔性壓力傳感器是可穿戴設備中最重要的組件之一，其靈敏度、工作范圍和穩定性是影響傳感器性能的關鍵因素。已有研究證明，在柔性壓力傳感器中引入微結構可以有效地提高其傳感性能。不過，目前微結構薄膜在工藝和性能等方面仍存在一些挑戰，有必要開發一種可以靈活改變微結構形狀、大小和間距的方法，以提高微結構的可調節性和準確性。

 

據麥姆斯咨詢報道，近日，西安建筑科技大學機電工程學院的研究人員提出一種基于微結構納米復合薄膜（MCNF）的超靈敏柔性壓力傳感器，在較寬的測量范圍內具有高靈敏度和穩定性，既能檢測微小壓力信號（手腕脈搏），也能檢測較大的壓力信號（手指按壓和鼠標點擊）。憑借其設計簡單、成本低、一致性高等優勢，該MCNF柔性壓力傳感器有望適用于各種可穿戴設備和潛在應用。相關研究成果已發表于Micromachines期刊。

 

在本論文中，研究人員提出一種簡單易復制的柔性壓力傳感器制造方法。首先，采用機械有限元法（FEM）研究了微觀結構尺寸參數對傳感器性能的影響，并對相關參數進行了優化。接著，使用印刷電路板（PCB）基材模壓多壁碳納米管/聚氨酯（MWCNT/PU）導電復合材料制備出活性層。最后，通過將活性層和叉指電極相結合制備出MCNF柔性壓力傳感器。

 

MCNF柔性壓力傳感器的制備工藝

 

通過一系列對比試驗，研究人員驗證了該MCNF柔性壓力傳感器具有高機械穩定性和長期耐用性。其可靠性歸因于板條微結構的結構穩定性、PU基板的機械柔性以及魯棒性。由于板條微結構的寬間距比越小，對應的MCNF柔性傳感器應變率越大，響應靈敏度越高，而MCNF接觸面積變化率越大，其變形越容易，壓阻響應越敏感。因此，在對MCNF施加壓力的過程中，其獨特的微結構能夠顯著增加MCNF和叉指電極之間的接觸面積，從而有效提高傳感器的靈敏度。

 

 

MCNF柔性壓力傳感器的傳感性能。（a）有無微結構傳感器的壓力響應。（b）相同MWCNT含量、不同微結構MCNF傳感器的壓力響應。（c）垂直平行放置于電極的MCNF傳感器的壓力響應。（d）對比文獻研究與本研究傳感器的敏感度和工作范圍。

 

 

MCNF柔性壓力傳感器的循環加載實驗結果：模型−A循環加載（a）0–1 N和（b）0-5 N；（c）模型−A和（d）模型-E在0–10 kPa循環載荷下的壓阻響應曲線。

 

該MCNF柔性壓力傳感器具有良好的傳感性能，可用于檢測多種人類活動引起的壓力變化。基于其在低壓和中壓范圍內具有出色的線性度和靈敏度，可用于實時檢測來自手腕動脈的脈搏信號。此外，在檢測手指按壓和鼠標點擊等大壓力信號時，該傳感器也表現出高穩定性和靈活性。

 

 

 

MCNF柔性壓力傳感器在實時監測人體活動中的應用：（a）手指按壓；（b）鼠標點擊；（c）實時脈搏檢測；（d）脈搏振動波形。

 

綜合而言，該MCNF柔性壓力傳感器具備高靈敏度、寬工作范圍和高靈活性，在微小壓力和大壓力檢測方面均具有顯著優勢，可有效用于人體生理實時監測。憑借其低成本、設計簡單、一致性高等優勢，該MCNF柔性壓力傳感器有望在可穿戴設備、人機界面等領域展現巨大的應用潛力。

 

論文鏈接：https://doi.org/10.3390/mi13081164

（來源： MEMS)