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智能可穿戴柔性压力传感器的研究进展

材料工程 2024年第8期52卷 98-108页

作者：宿荣芳文心仪王俊苏业旺中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

柔性压力传感器可以附着在人体皮肤感知外界压力信号,且具有传感范围广、响应时间短、灵敏度和耐久性高等特点,因此被广泛应用于电子皮肤和人机交互等领域。柔性压力传感器通常由柔性基底、活性材料、导电电极组成。其中,一种或多种活... 详细信息

柔性压力传感器可以附着在人体皮肤感知外界压力信号,且具有传感范围广、响应时间短、灵敏度和耐久性高等特点,因此被广泛应用于电子皮肤和人机交互等领域。柔性压力传感器通常由柔性基底、活性材料、导电电极组成。其中,一种或多种活性材料通过与柔性基底复合形成传感材料,其受外界刺激产生的变形会引起阻值等变化,进而实现传感功能。此外,通过引入微结构可增加传感材料的可压缩性以及对微小压力的敏感度,提升传感性能。本文围绕薄膜和织物两类基底,综述了在其中掺杂碳基、金属基与黑磷基等活性材料的柔性压力传感器的研究,重点论述了不同传感器的制备方法、机电性能与应用场景,总结了各类传感器的优缺点。在此基础上,对未来智能可穿戴柔性压力传感器如何实现宽范围压力检测、商业化以及制作流程无毒化与长时期生物相容性实验等方面的研究做出了展望。

关键词：智能可穿戴柔性压力传感器活性材料柔性基底

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蚕丝基柔性压力传感器的制备及其性能研究

丝绸 2024年第4期61卷 34-42页

作者：刘嘉琪汪宇佳王胜男代方银李智西南大学资源昆虫高效养殖与利用全国重点实验室重庆400715 西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院重庆400715 西南大学重庆市生物质纤维材料与现代纺织工程技术研究中心重庆400715 西南大学农业农村部蚕桑生物学与遗传育种重点实验室重庆400715

蚕丝具有优异的生物相容性、可降解性和易加工性等,是应用于柔性电子领域的理想柔性基底材料。本文通过气液界面聚合法,在蚕丝织物、平板丝和静电纺丝素膜三种蚕丝材料表面实现聚苯胺的原位生长,成功制备出以聚苯胺为活性导电介质的柔... 详细信息

蚕丝具有优异的生物相容性、可降解性和易加工性等,是应用于柔性电子领域的理想柔性基底材料。本文通过气液界面聚合法,在蚕丝织物、平板丝和静电纺丝素膜三种蚕丝材料表面实现聚苯胺的原位生长,成功制备出以聚苯胺为活性导电介质的柔性基材,并将其组装成柔性压阻式压力传感器,这为开发高性能、安全可靠和轻质便携的可穿戴电子产品提供新的方法和途径。结果表明:三种蚕丝基柔性压力传感器中,蚕丝织物聚苯胺传感器具有最大的压力检测范围(16.27~504.79 kPa),拉伸变形可达20%,灵敏度仅为0.00129 kPa^(-1);静电纺丝素膜聚苯胺传感器灵敏度最高(0.01376 kPa^(-1)),但拉伸变形能力差,仅可拉伸2.3%;平板丝聚苯胺传感器压力检测灵敏度略高于蚕丝织物聚苯胺传感器,达到0.00134 kPa^(-1),线性检测范围为9.8~87.6 kPa。本文研究开发的蚕丝基柔性压力传感器在运动检测领域具有较好的应用前景。

关键词：蚕丝织物平板丝静电纺丝素膜聚苯胺气液界面结合柔性压力传感器

CNT包覆三维聚乙烯-聚丙烯（ES）/PET非织造基柔性压力传感器的制备及性能

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复合材料学报 2024年

作者：高星张蕊应迪郑莹莹王建邹专勇绍兴文理学院浙江省清洁染整技术研究重点实验室绍兴市高性能纤维及制品重点实验室

为克服柔性传感器在灵敏度较低、生产流程复杂以及透气性不足等方面的挑战，本研究通过针刺-热熔技术制备了一种三维聚乙烯-聚丙烯（Ethylene-Propylene Side By Side，ES）/聚酯（PET）纤维非织造材料。随后，利用碳纳米管（CNT）对该... 详细信息

为克服柔性传感器在灵敏度较低、生产流程复杂以及透气性不足等方面的挑战，本研究通过针刺-热熔技术制备了一种三维聚乙烯-聚丙烯（Ethylene-Propylene Side By Side，ES）/聚酯（PET）纤维非织造材料。随后，利用碳纳米管（CNT）对该材料进行浸渍处理，成功开发了一种性能优异的CNT包覆三维ES/PET非织造基压力传感器，并对比分析了不同CNT浸渍时间和浸渍次数对传感器性能的影响。研究结果显示，该CNT包覆三维ES/PET非织造基柔性压力传感器具有高达0.375 kPa-1的灵敏度和0-214.53 kPa的检测范围。经过2100次压缩循环，传感器展现了优异的稳定性和可重复性，响应时间为48 ms，恢复时间为122 ms。在实际应用中，该传感器能够精确识别如呼吸、吞咽、手指弯曲等人体细微生理活动，在运动、医疗、虚拟现实等多个领域具有潜在的广泛应用。

关键词：碳纳米管 ES纤维 PET纤维三维非织造材料柔性压力传感器

利用空气层结构和碳纳米管修饰实现复合柔性压力传感器超宽检测范围

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复合材料学报 2024年

作者：马文俊张洁李长江朱立扬何立陈小明西安交通大学西安理工大学自动化与信息工程学院精密微纳制造技术全国重点实验室电子科学与工程学院电子陶瓷与器件教育部重点实验室西安交通大学电子科学与工程学院

宽检测范围和高灵敏度是保证柔性压力传感器在多种应用场景内保持高分辨率和高精度的关键参数。虽然目前已探索了多种微结构和复合材料介质层以提高传感器的灵敏度，但检测范围普遍较窄，并且宽检测范围和高灵敏度二者相互制约的问题始... 详细信息

宽检测范围和高灵敏度是保证柔性压力传感器在多种应用场景内保持高分辨率和高精度的关键参数。虽然目前已探索了多种微结构和复合材料介质层以提高传感器的灵敏度，但检测范围普遍较窄，并且宽检测范围和高灵敏度二者相互制约的问题始终无法解决。为此，设计了一种由空气层和多壁碳纳米管(MWCNTs)修饰的聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)P(VDF-TrFE)复合膜共同作为介质层的电容式柔性压力传感器。压力载荷下，空气层和复合介质层协同作用，使传感器检测范围从0.1～3.6 MPa扩宽至0.1～10 MPa，是目前已报道柔性压力传感器的最宽检测范围。同时，传感器在0.1～0.5 MPa和0.5～10 MPa范围内均展现出1.673 MPa-1和0.302 MPa-1的较高灵敏度以及优异的线性度。此外，考虑到实际应用，还开发了一套电容式压力传感器应力在线监测系统，准确性也达到了95.0% 以上。基于传感器及其检测系统的开发与设计，成功展示了传感器在柔性电子器件领域和微小压力监测领域的潜在应用。

关键词：柔性压力传感器聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯) 多壁碳纳米管超宽检测范围高灵敏度

基于MXene/PEDOT:PSS柔性压力传感器的制备及其在唇语识别中的应用

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复合材料学报 2024年

作者：钟山贾磊李晓春张校亮孟雪娟太原理工大学生物医学工程学院生物医学精准检测与仪器研究所

唇语是声带损伤、喉舌损伤及听障患者的一种有效的语言沟通方式。唇语信号由嘴唇和面部肌肉运动而产生，其包含了大量的语音信息。通过柔性压力传感器来捕获肌肉运动可实现唇语信号的提取和识别，为听、说功能障碍患者提供了更加自然、... 详细信息

唇语是声带损伤、喉舌损伤及听障患者的一种有效的语言沟通方式。唇语信号由嘴唇和面部肌肉运动而产生，其包含了大量的语音信息。通过柔性压力传感器来捕获肌肉运动可实现唇语信号的提取和识别，为听、说功能障碍患者提供了更加自然、便捷的无障碍交流方式。本研究采用二维材料MXene和高导电聚合物聚(3，4-乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)作为复合材料，以可拉伸的且具有微结构的Ecoflex作为柔性基底，制备了一种压阻式柔性压力传感器。该传感器在0-2.5 kPa压力范围内具有42.31 kPa-1的高灵敏度及快速响应(柔性压力传感器贴附于嘴角上并捕获唇语的肌肉运动，结合卷积神经网络算法对十二生肖英语单词信号进行训练和测试，平均准确率高达90.18%。该工作增加了唇语识别系统的多样性，为唇语运动信号直接转化为语音或文本奠定了重要基础。

关键词：柔性可穿戴电子设备唇语柔性压力传感器 MXene PEDOT:PSS 卷积神经网络

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基于磁控溅射技术的微结构柔性压力传感器

传感器与微系统 2024年第9期43卷 104-107页

作者：孙士斌钱磊王培力秦治伟牛世聪朱志浩上海海事大学物流工程学院上海201306

目前,探索制备流程简单、成本较低且性能优异的可穿戴应变传感器仍然是一个巨大的挑战。本文提出了使用模具成型法制备具有微观结构的传感器基底,并结合磁控溅射技术构造导电薄膜,制备出一种新型的柔性压力传感器。实验结果表明:这种方... 详细信息

目前,探索制备流程简单、成本较低且性能优异的可穿戴应变传感器仍然是一个巨大的挑战。本文提出了使用模具成型法制备具有微观结构的传感器基底,并结合磁控溅射技术构造导电薄膜,制备出一种新型的柔性压力传感器。实验结果表明:这种方法有利于基底与导电材料的结合,使传感器具有更大的形变潜力。提高了传感器的灵敏度(0~500 Pa的灵敏度为2.37 kPa^(-1)),且具有迅速的响应恢复时间(约250 ms)、良好的耐久性(1000次循环试验)以及极低的最小响应限度(约1.5 Pa)。同时,该传感器能够用于进行人体状态监测,能检测出心跳、脉搏等微弱的生理信号,证明了该柔性压力传感器在智能可穿戴设备方面具有良好的应用前景。

关键词：柔性压力传感器磁控溅射微结构人体状态监测

全纳米纤维离电式柔性压力传感器的制备及性能研究

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北京服装学院学报（自然科学版） 2024年第1期44卷 47-55,64页

作者：赵晰蒙李方全崔萌汪滨王颖张秀芹祝桂香郭敏郭子芳北京服装学院材料设计与工程学院北京100029 北京服装学院服装材料研究开发与评价北京市重点实验室北京市纺织纳米纤维工程技术研究中心北京100029 中石化(北京)化工研究院有限公司北京100013 中国石化医用卫生材料研究与应用重点实验室北京100013

为解决传统的电容式压力传感器灵敏度低的问题,基于聚丁二酸丁二醇酯对苯二甲酸丁二醇酯(PBST)和离子液体(ILs),采用静电纺丝技术制备离子介电层(ILs/PBST),并利用离电式压力传感机制开发了一种灵敏、透气的全纳米纤维离电式柔性压力传... 详细信息

为解决传统的电容式压力传感器灵敏度低的问题,基于聚丁二酸丁二醇酯对苯二甲酸丁二醇酯(PBST)和离子液体(ILs),采用静电纺丝技术制备离子介电层(ILs/PBST),并利用离电式压力传感机制开发了一种灵敏、透气的全纳米纤维离电式柔性压力传感器。该器件具有超高灵敏度(902.4 kPa-1,0~6 kPa)和快速响应/恢复时间(147 ms/147 ms),能够快速稳定地监测多种人体运动及生理信号。此外,三维多孔纳米纤维网络赋予其良好的透气性,确保其长期佩戴的舒适性,该器件有望应用在智能医疗领域。

关键词：柔性压力传感器纳米纤维膜离子介电层离电式传感机理

基于非均匀分布微结构的柔性压力传感器性能调控

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厦门大学学报（自然科学版） 2024年第2期63卷 241-251页

作者：颜黄苹李远哲王子俊周锐尹靖博厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院福建厦门361005

[目的]为了适应柔性压力传感器面向特定应用的定制化设计需求,提出一种基于非均匀分布微结构的电容式柔性压力传感器,开展传感器性能调控研究.[方法]首先,基于敏感层微结构非均匀分布方式,提出一种灵敏度预测模型,并通过与实际测试结果... 详细信息

[目的]为了适应柔性压力传感器面向特定应用的定制化设计需求,提出一种基于非均匀分布微结构的电容式柔性压力传感器,开展传感器性能调控研究.[方法]首先,基于敏感层微结构非均匀分布方式,提出一种灵敏度预测模型,并通过与实际测试结果的对比分析,验证模型的正确性.其次,研究当介电层微结构为微圆台时,不同微圆台顶面半径、高度、底面半径等几何参数以及次级微结构对传感器灵敏度和线性范围的影响.最后,基于该调控方法制备了综合性能良好的多级非均匀微结构分布的柔性压力传感器,进行性能测试与应用测试.[结果]非均匀分布微结构柔性压力传感器的灵敏度与微结构的分布及几何参数密切相关.通过对微结构分布的调控可筛选出具有最优灵敏度的传感器,对敏感层微结构几何参数的调控可实现对柔性压力传感器性能的调控.[结论]该性能调控方法对面向特定应用的传感器定制化设计具有一定的指导价值.

关键词：柔性压力传感器非均匀分布微结构性能调控

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基于石墨柔性压力传感器的实践教学方案设计

实验技术与管理 2024年第3期41卷 238-243页

作者：陈孝喆高荣科于连栋中国石油大学(华东)控制科学与工程学院山东青岛266580

该文通过石墨柔性压力传感器课程设计,使学生学习了先进的柔性传感器设计理念,并让他们发挥主观能动性进行自主创作。该课程设计涉及电子工程、材料科学、机械工程等多学科知识,着重开展了石墨柔性压力传感器、电阻检测与控制电路以及... 详细信息

该文通过石墨柔性压力传感器课程设计,使学生学习了先进的柔性传感器设计理念,并让他们发挥主观能动性进行自主创作。该课程设计涉及电子工程、材料科学、机械工程等多学科知识,着重开展了石墨柔性压力传感器、电阻检测与控制电路以及数值模拟上位机三大模块的设计。这一课程设置符合智能感知工程新专业人才培养的发展趋势,通过这一课程的学习,能够培养学生发现问题、解决问题的能力,有利于复合型、创新型、应用型专业人才的培养。

关键词：智能感知工程传感器课程设计柔性压力传感器教学改革