柔性传感器:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!

2021/11/08 18:05 · 传感器知识资讯 ·  · 柔性传感器:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!已关闭评论
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柔性传感器:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!传感器是现代智能生活的基础,手机、可穿戴装备、电动车、智能家居……几乎一切智能设备都离不开传感器。其中,一切和接触、力度相关的场合,都需要用到压力传感器,比如智能手机的压力屏,内部就遍布压力传感器。压力传感在智能领域发挥着极大的作用,但问题在于,物体在受压,弯曲或者变形后,其内置的压力传感器准确率会急剧下降,这也就让压力传

柔性传感器:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!

  传感器是现代智能生活的基础,手机、可穿戴装备、电动车、智能家居……几乎一切智能设备都离不开传感器。其中,一切和接触、力度相关的场合,都需要用到压力传感器,比如智能手机的压力屏,内部就遍布压力传感器。
  压力传感在智能领域发挥着极大的作用,但问题在于,物体在受压,弯曲或者变形后,其内置的压力传感器准确率会急剧下降,这也就让压力传感器的使用范围大幅降低。比如说,为什么一直没有可以称体重的智能鞋子?为什么汽车的桌椅不能自动贴合人的身体?
  原因都在于压力传感器无法在这类容易弯曲形变的场合工作。这个问题已经困惑了科学家和产品设计师多年,直到最近,情况才发生改变——用纳米纤维编织,再通过喷涂有机硅材料,就可以生产出柔性压力传感器。柔性传感器在弯曲和变形后,准确性依然较高,给智能设备的设计思路带来极大的冲击。
  柔性压力传感器是一种用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件,能贴附于各种不规则物体表面,在医疗健康、机器人、生物力学等领域有着广泛的应用前景。随着科学技术的发展,柔性压力传感器能否兼具柔韧性和准确测量压力分布信息等功能成为人们关注的焦点。由于微结构不仅能够提高传感器的灵敏度,还能更快地恢复传感器的弹性形变,具备快速响应能力。
  因此,构建微结构是提高柔性压力传感器综合性能的有效途径,成为学术界和工业界的关注重点。科研团队巧妙利用聚合物胶体微球自组装阵列作为模板,通过两步复制制备了具有微凸点阵列的柔性基底。相对于传统光刻技术制备微结构硅模板的方法,该研究采用的全化学法无需依赖昂贵的光刻设备及复杂的光刻工艺,具有制备工艺简单、成本低,可通过胶体微球粒径的选择来调控柔性基底微凸点的尺寸等优势。所制柔性压力传感器具有高灵敏度、快速的响应时间和良好的稳定性,对低压段压力具有较强灵敏性等特点。
  柔性压力传感器的神奇在于,当一个软物体压在另一个软物体上时,还能准确反应出压力。可以说,目前的压力传感器都是僵硬、固化的,而柔性压力传感器则具有弹性、柔软灵活的特点,拥有更广泛的应用场景。比如说,这种传感器可以集成到汽车的座椅上,只要司机上车,系统就能感知到司机的身高、体重、并计算出司机的视野范围,然后自动调整后视镜和座椅的角度、高度,以达到最佳的驾驶位置以及较好的舒适度。
  同时,汽车内的安全气囊也会自动调整角度,在突发情况时能更好地保护司机。再比如说,把柔性传感器集成在鞋子里,不只可以检测体重,还能感知你跑步时发力的姿势是否正确、攀岩时是否很好地掌握了身体的平衡。此外,它还能被集成在高尔夫球杆上,这样,你抓球杆的方法是否对,挥杆的动作是否存在变形,尽在系统掌握中。或许,以后的高尔夫球教练可以藏在你的手机里实时指挥你打球。
  不仅是在智能设备上可以大放异彩,在健康检测方面,柔性传感器也有用武之地。比如说,目前的智能手表要检测人的心跳,只能通过光学穿透皮肤来检测。而使用柔性传感器制作的血流探测仪,可以紧贴皮肤工作,实时探测皮肤表层的血液流动,即使是人在剧烈运动中也可以准确探测。
  在医疗上,乳腺癌欠缺简单快速的检查方法,而使用了压力传感器制作的手套,医生就可以通过它发现乳腺中细微的压力变化,从而能更快地判断人的健康情况。同时,设计师也可以把这种传感器集成在人的皮带上,当用户越吃越多时,皮带就会感知,并实时提示,这种皮带也可以作为健身效果的检测器,持续对用户的体形进行监测,再结合智能程序,作出“量身定制”的健身建议。
柔性传感器:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!  第1张

柔性传感器:柔性传感器有几种?

作为传感器界的"元老",压力传感器是其领域内的重要组成。而柔性压力传感器具有出色的机械和电气特性,例如高灵活性,高灵敏度,高分辨率和快速响应等,因此具有广泛的应用,根据压力传感器的工作机制,可以将其大致分为以下几类:压阻式、电容式、压电式
压阻式柔性压力传感器
压阻式柔性压力传感器基于压阻效应的传感器在外力作用下活性材料会变形,并间接改变内部导电材料的分布和接触状态,从而导致活性材料的电阻有规律变化。
电容式柔性压力传感器
电容式柔性压力传感器是一种基于平行板电容原理的装置,具有灵敏度高、响应快、动态范围广等优点。其工作机理是在施加外力时,通过改变平板电容器之间的距离来改变传感器的电容。
压电式柔性压力传感器
当某些介电材料沿某一特定方向上受到外界的作用力时,其内部就会发生极化,导致在它的两个相反的表面上会出现相反的电荷,或者产生潜在的差异,这种现象就被称为正/逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。

柔性传感器:柔性压力传感器的原理及应用

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柔性传感器:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!  第2张

柔性传感器:突破性混合响应柔性压力传感器,有望解决压力和灵敏度的权衡瓶颈

原标题:突破性混合响应柔性压力传感器,有望解决压力和灵敏度的权衡瓶颈

近年来,随着越来越多可以跟踪脉搏、大脑功能、汗液生物标志物等可穿戴设备的发展,医学传感技术取得了长足的进步。不过,现有的可穿戴压力传感器还面临很大的瓶颈,即使是最轻微的压力,比如覆盖在传感器上方的紧身长袖T恤,也会影响传感器的性能。

据麦姆斯咨询报道,美国得克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)航空航天工程和工程力学系副教授Nanshu Lu及其研究团队开发的柔性压力传感器有望解决这个困扰该领域多年的问题。他们创新地开发了有史以来第一款混合传感方案,兼具当今使用的两种主要类型传感器的特性。

该研究成果已于近日发表于Advanced Materials期刊。“柔性压力传感器领域的研究探索很多,经过20多年的发展我们遇到了瓶颈,即无法解决压力和灵敏度之间的权衡问题。”这项新研究成果的通讯作者Nanshu Lu说,“我们的研究成果首次利用全新的混合方案解决了这一瓶颈问题,使传感器可以承受压力的同时不会显著影响灵敏度。”

目前的柔性压力传感器通常由三层组成,即两层电极之间夹一层可变形传感层的三明治结构。这些传感器通常可分为压容式和压阻式两大类。

Lu及其研究团队设计了一种由高度多孔导电纳米复合材料(PNC)与超薄电介质层层压而成的柔性混合响应压力传感器(HRPS)。这种PNC材料采用泡沫镍基板,由掺杂碳纳米管(CNT)的Ecoflex制成,具有86%的多孔性和导电性,表现出混合压阻和压容响应,从而可以在很宽的压力范围内显著提高灵敏度(超过400%)。

传统压力传感器在承受超过轻微触摸之外的压力时,灵敏度可能会下降10倍。新的混合方案传感器在测试中,面对紧贴用户前额的虚拟现实(VR)设备的压力,其灵敏度损失非常小。压力不仅会导致许多传感器的精度下降,甚至可能影响传感器的数据读出。

“当我们对传感器施加外部压力时,其灵敏度会下降,但仍能与零外部压力的其它传感器保持同等水平。”Lu表示。

Lu一直是柔性电子传感领域的开拓者,在“电子纹身”技术领域耕耘多年。电子纹身重量轻、可拉伸,可以长期安置在心脏、大脑或肌肉上,几乎不会造成任何不适。

不过,对于这类柔性传感器和电子纹身,Lu有着更宏伟的愿景。她正在研究如何将这些传感器包覆在几乎任何物体上,并使其具有人类皮肤的灵敏度。最显而易见的应用是将它们用于机器人的手和手指,使机器人能够通过触摸来识别物体。

“这类传感器的应用非常广阔。”Lu说,“因为,几乎任何物体上都可以包覆这种可拉伸的电子皮肤。”

延伸阅读:

《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》

《可穿戴技术及市场-2021版》

《电子皮肤贴片技术及市场-2021版》

《触觉技术及市场-2021版》返回搜狐,查看更多

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