基于PDMS微结构介质层的柔性电容式压力传感器

第

62

卷

第

4

期

2023

年

7

月

:/

.0438-0479.202208046

j

)

JournalofXiamenUniversitNaturalScience

y

(

厦门大学学报

(

自然科学版

)

Vol.62 No.4

Jul.2023

基于

PDMS

微结构介质层的柔性电容式压力传感器

李文望

1

,

张

贺

1

,

杨雨程

1

,

谢昂达

1

,

姜佳昕

1

,

罗志伟

1

,

郑高峰

2

,

王

翔

1*

(

厦门理工学院机械与汽车工程学院

,

精密驱动与传动福建省高校重点实验室

,

厦门市智能制造高端装备

1.

;)

研究重点实验室

,

福建厦门

3

厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院

,

福建厦门

3610242.61102

摘要

:

近年来

,

为了满足人工智能

、

物联网和可穿戴设备的发展需求

,

高灵敏度

、

低成本的柔性压力传感器的设计和制

)

备引起了研究人员的广泛关注

.

本文以聚二甲基硅氧烷

(

四棱柱微结构薄膜作为传感器的介质层

,

以银纳米线

PDMS-

聚对苯二甲酸乙二醇酯

(

透明导电膜作为传感器的上下电极层

,

制备了一种具有

“

三明治

”

结构的柔性电容

ANW-PET

)

g

-1

,

该传感器的灵敏度可达

0

并且具有较低的迟滞性

,

较快的响应时间和恢复时间

,

以及较好的重复性和稳定

.63kPa

式压力传感器

.

采用压力装置以及电容采集装置对传感器的性能进行测试

.

测试结果表明

,

在

0~0.18kPa

压强范围内

,

性

,

能检测到

0

最后

,

展示了传感器在接触检测和接近感应中的应用

..73Pa

的微小压力

.

关键词

:

可穿戴设备

;

聚二甲基硅氧烷

;

微结构

;

电容式压力传感器

;

灵敏度

;

3D

打印

()

中图分类号

:

TP212

文献标志码

:

A

文章编号

:

04-0525-08

物联网和可穿戴

柔性压力传感器作为人工智能

、

设备等技术的重要基础元件之一

,

已经成为当前相关

]]]

123

,、

领域的研究热点

[

并在健康监测

[

智能假肢

[

和电

]

4

子皮肤

[

等应用领域显示出了广阔的应用前景

.

根据

度的一个简单而有效的方法

.

研究人员制作了包括金

通过微结构在介质层内部形成空气间

PDMS

薄膜

,

隙

,

能有效降低弹性阻力

,

增加受力状态下的形变量

,

从而诱发更大的电学信号响应

.

基于微结构化

PDMS

中呈现出了较高的灵敏度

.

)

介质层的柔性压力传感器已经在低压系统

(

<1kPa

柔性压力传感器微结构介质层的低成本

、

大面积

制备是其发展趋势和必然要求

.

在众多

PDMS

微结构

的制造方案中

,

最直接的方法是使用预制的模具将微

结构图案转移到

P

目前主要采用光刻技

DMS

薄膜

.

]

14

术

[

在硅片上制作不同的几何形状模具

,

然而它们需

]]]

131415

、、

字塔

[

截断金字塔

[

圆柱

[

等不同微结构的

不同的信号转换机制

,

目前主流的柔性压力传感器主

]]]]

5678

、、

要分为电容式

[

摩擦电式

[

压电式

[

和压阻式

[

四

种类型

,

其中

,

电容式压力传感器因具有功耗低

、

灵敏

度高

、

响应时间快

、

温度稳定性好等优点

,

在生物识

]]

910

、

别

[

触控感知

[

等领域得到了广泛关注

.

传统柔性

电容式压力传感器的结构类似于平行板电容器

,

主要

]

11

;

由上下两层电极和中间的介质层组成

[

当外部压力

施加于传感器时

,

介质层会发生变形

,

从而引起传感

器电容值随着施加压力的变化而变化

.

)

聚二甲基硅氧烷

(

具有优良的弹性

、

拉伸

PDMS

要昂贵而复杂的光刻和化学刻蚀工艺

,

对于低成本

、

大面积制造来说具有一定的挑战

.

此外

,

研究人员也

]]

1617

探索了利用自然界中的花瓣

[

或植物叶片

[

作为模

性

、

透明性和绝缘性

,

已成为柔性压力传感器最常用

]

12

的介质层材料

[

然而

,

利用

平面薄膜制备的

柔性压力传感器在非常小的压力下不能产生足够的

变形

,

难以获得可检测的电容值变化

,

灵敏度相对较

低

.

在介质层引入微结构是提高柔性压力传感器灵敏

具制备

P

这种方法虽然节省了成

DMS

微结构介质层

,

本

,

但其表面结构无法按需调控

,

且模具复用率低

,

不

利于传感器批量化制备及应用性能提升

.3D

打印技

术目前已经被广泛应用于快速原型设计和模具制造

,

收稿日期

:

2022-08-31

录用日期

:

2023-02-25

:(

);(,););

基金项目国家自然科学基金

福建省自然科学基金福建省中青年教师教育科研项目

(

厦门

522755752022H60362021J011196JAT220338

)

理工学院科研攀登计划

(

XPDKT20022

*

通信作者

:

wx@

:,,

]

,

引文格式李文望张贺杨雨程

,

等

.

基于

P

厦门大学学报

(

自然科学版

)

DMS

微结构介质层的柔性电容式压力传感器

[

J.

,():

2023624525-532.

:,

CitationLIWW

,

ZHANGH

,

lecaacitive

p

ressuresensorbasedonPDMSmicrostructuredielectric

p

[],,():()

ese

y

:

htt

∥

p

j

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·

526

·

厦门大学学报

(

自然科学版

)

在柔性压力传感器设计和制作领域也展现出较大的

应用潜力

,

成为了替代光刻技术的一种便捷

、

经济和

可扩展的微结构模具制造方案

.

本文采用光固化

3D

打印模具制作的

PDMS

四棱

2023

年

棱宽

(

槽宽

)

为

0

斜边长为

0.1mm

,

.424mm

,

0.6mm.

,)

将

P

基本组分和固

DMS

(

Slard184DowCornin

ygg

化剂以

1

搅拌均匀后置于真

0∶1

的质量比进行混合

,

再将其放入匀胶机

(

中科院微电子所

)

中

,

以

KW-4A

,

箱中真空脱气并加热固化

1h

最后

,

将

从模

构薄膜

.

,

空干燥箱

(

精宏

)

中真空脱气以去除气泡

.DZF-6020

然后称取

2

克

PDMS

混合溶液滴涂在清洁的模具上

,

/

旋涂完成后

,

先将样品在

750rmin

的转速旋涂

2s.

,

室温下静置

再将样品放入

810min0℃

的真空干燥

微结构的总体尺寸为

1

棱高

(

槽深

)

为

2mm×12mm

,

柱微结构薄膜作为介质层

,

银纳米线聚对苯二甲酸乙

-

二醇酯

(

透明导电膜作为传感器的上下

ANW-PET

)

g

电极层

,

制备了一种具有

“

三明治

”

结构的柔性电容式

压力传感器

,

并对其性能进行了测试

.

该传感器制备

工艺简单

、

成本低

、

灵敏度高

,

在可穿戴设备

、

人机交

互

、

机器人触觉等领域具有潜在的应用价值

.

1

传感器制备工艺

1.1 PDMS

微结构介质层

()

图

1

为

PaDMS

四棱柱微结构介质层的制备流

)

具上剥离

,

形成如图

1

(

所示的

PbDMS

四棱柱微结

对

P

获得的表面和截面图

DMS

微结构薄膜进行拍摄

,

())

像分别如图

1

和

(

所示

.

从

ScdEM

图像中可以清晰

地观察到凸起的四棱柱微结构

,

PDMS

微结构介质层

总体厚度为

1

平均棱宽

(

槽宽

)

为

4.25mm

,

20.7

μ

m

,

平均棱高

(

槽深

)

为

1

表面形貌较为光滑

,

四

25.4

μ

m

,

棱柱间具有良好的结构一致性

.

另一方面

,

与基于光刻

工艺的硅模具相比

,

光固化

3D

打印机受其加工原理及

,)

通过扫描电子显微镜

(

SEM

,

Sima500ZEISS

g

程示意图

.

四棱柱微结构模具使用普通商业光固化

3D

打印机

(

创想三维

)

打印

,

所用光敏树

HALOT-SKY

,

,

创想三维

)

以避免模具发生变形

.

模具中四棱柱

2min

;

脂材料为标准刚性树脂

(

创想三维

)

模具打印完成

,,

后

,

采用乙醇清洗

2m

再紫外光二次固化

(

inUW-02

()

(

)

(

)

aPDMS

微结构介质层制备流程示意图

;

bPDMS

微结构薄膜

;

cPDMS

微结构介质层正面

SEM

图

;

()

dPDMS

微结构介质层截面

SEM

图

.

Fi.1PrearationofPDMSmicrostructuredlaers

gpy

图

1 PDMS

微结构介质层的制备

:

htt

∥

p

j

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工艺限制

,

所制作的树脂模具的结构精度较低

,

因此

()

如图

1PDMS

微结构与理想形状也存在一定的偏差

,

d

第

4

期李文望等

:

基于

PDMS

微结构介质层的柔性电容式压力传感器

·

527

·

1.2

传感器封装

/

所示

.

四棱柱截面呈现梯形波浪形

,

相邻两棱边连接过

渡较为平滑

,

与理想的垂直结构存在一定差距

.

()

图

2

为柔性电容式压力传感器的整体结构示

a

意图

,

其主要由封装层

、

电极层和介质层组成

.

封装层

;

方阻

2

透光率

≥8

介质层则为裁剪好的

0Ω

,

8%

)

封装步骤如下

:

首先

,

使用

PDMS

四棱柱微结构薄膜

.

铜箔胶带分别在两个

ANW-PET

电极导电面的一端

g

引出铜导线

;

然后

,

分别将两个

ANW-PET

电极背面

g

贴在两条

P

最后

,

将

PET

单面胶带上

;

DMS

薄膜和两

个背面贴有

PET

单面胶带的

ANW-PET

电极进行

g

贴合

,

PDMS

四棱柱微结构薄膜夹在两个

ANW-

g

选用

P

可对传感器结构进行保护

;

上下

ET

单面胶带

,

电极层选用

A

厚度

0NW-PET

透明导电膜

(

.125mm

,

g

形成

“

三明治

”

结构

.

封装好的柔性压力

PET

电极之间

,

()

传感器如图

2

所示

,

该传感器具有较好的机械柔性

,

b

())、())

可以进行多次弯折

(

图

2

扭曲

(

图

2

而不影响

cd

传感性能

.

()()()()

传感器整体结构示意图

;

传感器实物图

;

传感器弯折后的状态图

;

传感器扭曲后的状态图

.abcd

Fi.2Sensoroverallstructuredesinandassembl

ggy

图

2

传感器整体结构设计与组装

2

传感器性能测试

2.1

测试方法

,

采用

L

同惠电子

)

测量传

CR

数字电桥

(

TH2832

2.2

结果与分析

围为

0~13.93kPa.

图

3

为柔性电容式压力传感器传感机制示意图

.

当未对传感器施加外部负载时

,

传感器具有特定的初

,

其电容值从

C

并有

:

d

0

减小到

d

0

增加到

C

,

//

C

=

εAd

=

ε

εA

d

,

0r

积

,

εε

0

为真空介电常数

,

r

为相对介电常数

.

始电容

C

受到外部压力后

,

传感器的介质层厚度从

0

.

感器的电容

,

进而得到传感器的各项性能

,

包括灵敏

度

、

迟滞性

、

重复性

、

稳定性

、

响应时间和压力检测限

等

.

测试过程中

,

首先将待测的柔性压力传感器放在

测试平台上

,

然后将

LCR

数字电桥的两个测试端分

别连接到传感器的两个铜导线上

,

实时检测传感器表

面被施加不同的压力时的电容值

.LCR

数字电桥的测

试参数设置为

:

测试电位

1V

,

偏置电压为

0V

,

测试

对传感器进行灵敏度测试时

,

将砝码作为压力装

置

.

为了保证传感器表面能够受到均匀的压力

,

在放

置砝码前预先将一个质量为

0.6

g

的圆形垫片置于传

感器表面

.

圆形垫片直径为

2

传感器与圆形垫

0mm

,

片的接触面积为

1

计算压强时

,

受力有

2mm×12mm

,

)、,,

应力状态分别为

:

空载

(

在圆形垫片上添加

10

g

2

,,,,

即对应的压强测试范

5102050100

和

200

g

砝码

,

2

效面积为接触面积

1

测试过程中

,

传感器的

44mm.

()

1

式中

,

ε

为有效介电常数

,

A

为两个电极板的相对面

PDMS

薄膜表面四棱柱微结构的引入降低了传

感器介质层的杨氏弹性模量

.

与平面薄膜相比

,

具有

-1

),/

频率

2

测试速度中速

(

采样频率

100kHz83ms.

Fi.3Sensinechanismofflexiblecaacitiveressuresensor

gg

m

pp

图

3

柔性电容式压力传感器传感机制示意图

:

htt

∥

p

j

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·

528

·

厦门大学学报

(

自然科学版

)

四棱柱微结构的介质层在相同的外部压力作用下会

导致更多的应力接触和应变集中

,

因而更容易被压缩

而产生较大的形变

.

同时

,

传感器在被外部压力压缩

变形的过程中

,

介质层中所含的空隙逐渐减少

,

PDMS

与空气的体积比逐渐增大

,

导致介质层的相对介电常

数

ε

因此

,

PDMS

微结构柔性电容传感

r

也随之增加

.

器的电容是关于压强的分段函数

:

当

PDMS

介质层中

的空气体积未达到最小极限时

,

传感器电容在介质层

厚度

d

减小和相对介电常数

ε

传

r

增大的共同作用下

,

感器电容随压强的变化具有更大的变化率

;

当

PDMS

传感器的电容变化只由介质层的厚度变化决定

,

此时

传感器的电容随压强的变化率减小

.

]

18

,

重要指标

[

其计算公式为

2023

年

构工艺简单

、

成本低

、

可大规模生产

.

微结构类型

、

尺

寸

、

材料等对于调整电容式压力传感器的灵敏度具有

非常重要的作用

.

本文与已有文献所报道的柔性电容

]

19-22

式压力传感器

[

进行比较

,

如表

1

所示

.

显然

,

微结

构的引入使

P

但同

DMS

介质层对压力的感知更敏感

,

时也因抗压强度的下降而使压强测量范围减小

,

因

此

,

基于

PDMS

的压力传感器的压强测量范围和灵敏

],

度往往是两个相互制约的参数

,

如文献

[

灵敏

19-22

度越高

,

压强测量范围越小

.

相比之下

,

本文所制备的

,]

传感器的压强测量范围比文献

[

小

02022.5~1

个

数量级

,

但灵敏度更高

,

说明本文所制备的传感器在

小量程压强测量范围内具有一定的优势

,

适用于小量

程高灵敏度的应用场合

.

表

1

基于

PDMS

的柔性电容式压力传感器的灵敏度对比

Tab.1 Sensitivitomarisonofflexiblecaacitive

y

c

pp

ressuresensorsbasedonPDMS

p

介质层

PDMS

复合

微球

PDMS

倾斜

微柱

PDMS

PDMS

微金

字塔

/

压强测量

灵敏度

-1

/

范围

kPa

kPa

0~15

0~1.5

0~945

0.124

0.42

介质层中的空气体积达到最小极限后

,

ε

r

不再增加

,

传感器的灵敏度是判定其精度和有效性的一个

/(/

Δ

C

CC

-

CC

00

)

0

,()

S

=

2

=

Δ

P

Δ

P

式中

,

S

为灵敏度

,

Δ

C

为施加压力后传感器的电容变

化量

,

Δ

P

为压强变化量

.

图

4

为柔性压力传感器的灵敏度测试曲线

.

测试

结果表明

:

与基于

PDMS

平面介质层的电容式压力传

感器相比

,

在相同外部压力加载下

,

基于

PDMS

四棱

柱微结构介质层的电容式压力传感器的电容变化率

更大

,

灵敏度更高

.

基于

PDMS

微结构介质层的传感

,

器的初始电容值

C

在

0.84

p

F~0.18kPa

压强范

0

为

5

围内

,

其灵敏度为

0

在

0.63kPa

;

.18~13.93kPa

压

-1

,

强范围内

,

其灵敏度为

0

这是由于微结构

.02kPa

-1

电极

/

ITOPET

/

AuPET

Cu

/

TiAu

来源

]

文献

[

19

]

文献

[

20

]

0.0019

文献

[

21

]

文献

[

22

本文

0~0.750.16

0~0.180.63

形变引起的

ε

传感器电容响应逐渐趋

r

变化达到极限

,

于饱和

,

电容值随压强的变化率减少

,

因此灵敏度

降低

.

商业光固化

3D

打印倒模的方法制备

PDMS

微结

PDMS

微四

ANW-PET

g

棱柱

注

:

ITO

为氧化铟锡

.

除灵敏度外

,

迟滞性

、

重复性

、

稳定性

、

响应时间和

压力检测限也是表征电容式压力传感器性能的重要指

标

.

本文进一步对这些参数进行测量

,

结果如图

5

所示

.

传感器的迟滞性是指在正

、

反两个方向上

,

传感

器的输入输出特征曲线的不一致性

,

通常由加载曲线

-

和卸载曲线上对应电容值之间的最大差值

Δ

C

max

来判

,

感器的

Δ

与此时传感器的电容值相比

,

C

m

.13

p

F

ax

为

0

/,()

因此迟滞误差较小

,

如图

5

所示

.Δ

C

m

C

<

0.02

a

ax

()

传感器的耐弯折性测试如图

5

所示

,

反映了柔

b

)

性传感器的耐久性

.

将传感器如图

2

(

所示弯折

1c00

次后

,

重新测试其灵敏度

.

从测试结果可以看出

,

在相

同输入条件下

,

弯折前后传感器的电容变化率未发生

定

.PDMS

介质层材料的弹性滞后特性会引起卸载时的

电容值大于相同压力下加载时的电容值

.

经测试

,

本传

:

htt

∥

p

j

Fi.4Sensorsensitivittestcurve

gy

图

4

传感器灵敏度测试曲线

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第

4

期

李文望等

:

基于

PDMS

微结构介质层的柔性电容式压力传感器

·

529

·

()()()()()()()

迟滞性

;

耐弯折性

;

稳定性

;

响应特性

;

响应时间

;

恢复时间

;

压力检测限

.abcdef

g

Fi.5Sensor

p

erformancetestcurves

g

图

5

传感器性能测试曲线

显著变化

,

表明其结构具有较好的耐弯折性

.

传感器的稳定性是检验传感器在一定时间范围

,

性

,

分别对传感器按一定次序施加

13.96.9

和

3.5

()

从图

5kPa

三种不同大小的压强并持续一段时间

,

c

中可以看出

,

传感器能够快速检测不同的压强

,

稳定

性较好

.

()

图

5

是传感器的响应特性曲线

.

在对传感器加

d

内是否稳定工作的重要指标

.

为了测试传感器的稳定

载和卸载压力时

,

传感器无法立即作出反应

,

通常有

一个延迟时间

,

即响应时间和恢复时间

.

为了测试传

感器的响应时间和恢复时间

,

将一个

200

g

的砝码置于

大小的压强

.

由于四棱柱顶部有方形平台

,

当薄膜表

面的四棱柱受力而发生变形时

,

四棱柱顶部的方形平

台将在变形的上部电极上产生更大的作用力

,

使变形

传感器的正上方

,

然后迅速释放

,

待电容值稳定后

,

移走

砝码

,

即在传感器的正上方加载和卸载一个

13.9kPa

:

htt

∥

p

j

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·

530

·

厦门大学学报

(

自然科学版

)

))

卸载作出快速反应

.

从图

5

(

和图

5

(

中可以看出

,

ef

;

传感器的响应时间

T

传感器的恢复时间

66ms

1

为

1

T

2

为

249ms.

为了测试传感器的最小压力检测限

,

分别选用单

()()

片质量为

3

和

7

的正

.5m0.35Pa.3m0.73Pa

gg

方形小纸片放置于传感器上方

.

当放置

3.5m

g

的纸

片时

,

传感器电容值增加较小

,

难以实现有效测量

;

放

置

7

可测得较为稳定且明显的电容变

.3m

g

纸片时

,

/

化

,

因此

,

传感器最小可测得

0Δ

C

C

.0009..73Pa

0

为

0

2

)(/

为了简化计算

,

此处重力加速度取

1

的微小

0ms

压力

.

依次在传感器上方逐渐增加单片质量

7.3m

g

,

的正方形小纸片的数量

(

可测得传感器输

1~13

片

)

()

出的电容值的变化如图

5

所示

,

证实了传感器具有

g

较高的压力探测敏感度

.

PDMS

介质层表面的四棱柱微结构对传感器的

性能具有重要影响

.

在相同尺寸的传感器中

,

若相邻

两个四棱柱的间距越大

,

介质层表面四棱柱的数量就

越少

;

同样

,

四棱柱越高

,

PDMS

支撑层的厚度就越

的四棱柱更快地恢复到未变形的状态

,

这有助于传感

器实现更快的反应时间

,

并使传感器对连续的加载和

2023

年

小

.

此时

,

当传感器受到相同的外部压力加载时

,

传感

器介质层就更容易被压缩

,

灵敏度就越高

.

然而

,

介质

层表面四棱柱数量的减少会使得微结构与上电极层

的接触面积减小

,

往往会导致传感器感测范围的下

降

;

而四棱柱高度的增加则往往会增加传感器的响应

时间

.

因此

,

为了实现更高灵敏度

、

宽感测范围

、

快响

应速度的电容式压力传感器的制备

,

还需进一步深入

分析微结构几何形状如尺寸

、

间距

、

排列等对介质层

结构变形

、

力学敏感性及传感特性的影响

.

3

传感器的应用

本文制作的柔性传感器具有高灵敏度

、

快速响应

等特点

,

可以实时监测动态压力的变化

,

实现多种场

合下的信号测量

.

图

6

为该柔性压力传感器接触压力

检测的重要应用

.

()

如图

6

所示

,

该传感器可用于监测手指的按压

a

活动

.

测试时

,

将传感器贴于测试者左手手背

,

右手手

指对传感器进行轻触

.

电容值在手指按压到传感器时

快速增大

,

移开手指后快速恢复至初始值

.

以摩尔斯

()()

接触检测

;

接近传感测试

.ab

Fi.6Alicationsofcaacitivesensor

gppp

图

6

传感器的应用测试

:

htt

∥

p

j

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第

4

期

电码传输为例

,

利用手指对传感器施加点按和长按以

传输标准化长短信号序列

,

即

“

点

”

和

“

破折号

”

由于

.

可准确获得如图所示

“

的摩尔斯电码信号

,

动

XMUT

”

态响应快

.

此外

,

电容式压力传感器还可用于非压力状态下

)

的接近传感检测

,

如图

6

(

所示

.

当手指逐渐靠近电

b

容式压力传感器时

,

相当于将第三个电极引入传感

器

.

由于耦合电容的作用

,

传感器两个电极之间的电

场发生偏移

,

使得传感器上下电极之间的电容

C

m

减

小

,

手指和传感器上电极之间的耦合电容

C

传

s

增大

.

感器的电容值会随着手指和传感器上电极之间的距

离

d

的减小而逐渐减小

,

且距离

d

越小

,

传感器电容

李文望等

:

基于

PDMS

微结构介质层的柔性电容式压力传感器

·

531

·

传感器检测极限较低

,

手指自然轻触或放置即可获得

明显信号

,

并能准确区分

“

点按

”

和

“

长按

”

两种状态

,

,,():

andMicroenineerin2.

gg

[],

2 GUOXQ

,

MALJWUWG

,

-sensitive

,,:

SensorsandActuatorsA

:

Phsical2.

y

[],

3 WUYZLIUYW

,

ZHOUYL

,

-insired

p

flexible

p

iezoresistive

p

ressuresensor

p

rearedbaser-

py

l

assistedcoertemlateforhealthmonitorinJ

]

.

pppg

[

[],

eRobotics

p

,():

2018322eaat0429.

sensorwithhihsensitivitndfastresonsefor

gy

a

p

[],,

4 DONGHFZHANGLBWUT

,

le

p

ressure

[]

5 ZHENGRL

,

WANGYY

,

ZHANGZX

,

g

electronicskinusinear-fieldelectrohdrodnamicdirect

g

n

yy

[],,:

Electronics2.

gg

ressuresensorbasedonrGOcottonfiberforhuman

p

,

motiondetection

[

J

]

.SmartMaterialsandStructures

sensitivitndbroaddetectionraneflexiblecaacitive

y

a

gp

传统场合下人与设备之间的指令传

C

m

的变化越明显

.

输主要依靠接触

(

压力

)

传感和按钮

,

这种方式会引起

/

机械损耗

、

病毒细菌交叉感染

(

特别是在

COVID-19

流行期间

)

等风险

,

因此

,

电容式压力传感器有作为非

接触开关的应用潜力

.

,():

2.

[]

6 NINGC

,

CHENGRW

,

JIANGY

,

lfiber

strainsensorsbasedontriboelectricnanoeneratorsfor

g

self-oweredhumanresiratoronitorinJ

]

.ACS

ppy

m

g

[

FabricationandcharacterizationofAlN-basedflexible

4

结

论

倒模工艺制造了表面具有四棱柱微结构的

PDMS

弹

性体薄膜

;

利用该薄膜作为介质层

、

ANW-PET

导电

g

膜作为电极层

,

制备了

“

三明治

”

结构的柔性电容式压

力传感器

.PDMS

薄膜表面四棱柱微结构的引入降低

了传感器介质层的杨氏弹性模量

,

且能形成局部的应

力集中

,

使得介质层更易于快速产生较大形变

,

从而

提升传感器的灵敏度和响应速度

.

该传感器灵敏度在

-1

,

同时具

0~0.18kPa

的压强范围内可达

0.63kPa

)

有较低的迟滞性

、

较快的响应时间

(

和恢复时

166ms

)、

间

(

较好的重复稳定性

,

以及较低的压力检

249ms

)

测限

(

本文还展示了传感器在接触检测和接

0.73Pa.

近感应中的应用

,

在可穿戴设备

、

机器人触觉

、

人机交

互等领域具有的潜在应用价值

.

此外

,

本文所设计的

柔性电容式压力传感器具有制造周期较短

、

成本低

、

性能较好的优点

,

也证实了

3D

打印技术在传感器微

结构模具制造方面具有较好的应用潜力

.

本文使用光固化

3

通过

D

打印的树脂作为模具

,

,,():

Nano2-2821.

[]

7 SIGNOREMA

,

RESCIOG

,

DEPASCALIC

,

etal.

iezoelectric

p

ressuresensorinteratedintoanimlantable

pgp

,,:

artificial

p

ancreas

[

J

]

.ScientificReorts20199

(

1

)

p

17130.

[]

8 LAIC

,

WUX

,

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p

iezoresistive

p

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,

SHUAIXT

,

HUYG

,

gy

sensitiveandflexiblecaacitiveressuresensorbasedon

pp

interactivecolourchaninontrolledbactilesensin

gg

c

y

t

g

[],,:

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p

ressuresensorbasedondielectricelastomerfilmwith

p

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C

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532

·

厦门大学学报

(

自然科学版

)

desinofcaacitive

p

ressuresensorsbasedon

p

ramidal

gpy

1903100.

2023

年

microstructuresforsecializedmonitorinfbiosinals

pg

o

g

[,,:

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(

29

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flexible

p

iezoresistive

p

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g

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p

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p

ressuresensorbasedona

p

orous

p

/

three-dimensionalPDMSmicrosherecomosite

[

J

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caacitive

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ressuresensorenhancedbtiltedmicroillar

pyp

[],,

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ypp

PDMScaacitive

p

ressuresensorfor

p

lantar

p

ressure

p

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gg

Tunableflexiblecaacitive

p

ressuresensorsusin

pg

caacitivetactilesensorsbasedoncarbonnanotubethin-

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p

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ygy

,,

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,

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,

LIUYQ

,

ZHANGYL

,

tic

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,

nsitivereliableand

gy

[]

22 THOUTIE

,

NAGARAJUA

,

CHANDRANA

,

etal.

arranementofoldimethlsiloxanemicro-ramidsfor

gpyypy

bio-sinalmonitorinJ

]

.SensorsandActuatorsA

:

gg

[

,,:

Phsical2.

y

smartsurfaceswithraidlwitchabledominantand

py

s

,

latentsuerhdrohobicitJ

]

.NPGAsiaMaterials

pypy

[

Flexiblecaacitive

p

ressuresensorbasedonPDMS

p

microstructuredielectriclaer

y

1

,

1

,

1

,

1

,

1

,

LIWenwanZHANGHeYANGYuchenXIEAndaJIANGJiaxin

ggg

1*

1

,

2

,

LUOZhiweiZHENGGaofenWANGXian

gg

,;,,,)

-TunahInstituteofMicro-NanoScienceandTechnoloXiamenUniversitXiamen361102China

g

S

gyy

,,

develomentneedsofartificialintellienceinternetofth

pgg

,

this

p

aerwehave

p

reareda

“

sandwich

”

structure

p

ressuresensorbsinoldimethlsiloxane

(

PDMS

)

tetraonal

ppy

u

gpyyg

-1

sultsshowthatthesensitivitfthesensorcanreach0.63kPainthe

ppqy

o

,,,

rmorethesensorsecureslowhsteresisfastresonsetimeandrecoverimeandhih

pgypy

t

g

(,,

ofMechanicalandAutomotiveEnineerinXiamenUniversitfTechnoloKeaboratorfPrecisionActuation

ggy

o

gyy

L

y

o

,,

andTransmissionofFuianProvinceUniversitXiamenKeaboratorfIntellientManufacturinuiment

jyy

L

y

o

gg

E

qp

:

,

Abstract

Inrecent

y

earsthedesinandthefabricationofhihlensitiveandlow-costflexible

p

ressuresensorsthatmeetthe

ggy

s

microstructurefilmfabricatedbliht-curinD

p

rintinoldasthedielectriclaerandsilvernanowire-olethleneterehthalate

ygg

3

g

m

ypyyp

(

ANWs-PET

)

p

erformanceofthesensoristestedwitha

gpppy

,,

canreadiletectasmall

p

thealicationofthesensortocontact

py

a

yy

d

ypp

detectionand

p

roximitensinisdemonstrated.

y

s

g

:

;;;;;

Kewords

wearabledevicePDMSmicrostructurecaacitive

p

ressuresensorsensitivit3D

p

rintin

pyg

y

(

责任编辑

:

任滢滢

)

:

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p

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