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一种快速响应的超灵敏仿生压力电子皮肤

合肥工业大学学报（自然科学版） 2024年第5期47卷 649-654,711页

作者：李育文刘平胡秋生吴顺哥刘彩霞黄英合肥工业大学微电子学院安徽合肥230601 合肥工业大学物理学院安徽合肥230601

文章首先通过仿人体指纹脊状结构,基于改性多壁碳纳米管填充紫外固化胶制备导电复合材料,借助丝网印刷制作具有规则裂纹结构的柔性压力传感单元;然后通过仿生物体的神经元信息传输方式,设计基于异步编码的总线式电路结构;最后通过将所... 详细信息

文章首先通过仿人体指纹脊状结构,基于改性多壁碳纳米管填充紫外固化胶制备导电复合材料,借助丝网印刷制作具有规则裂纹结构的柔性压力传感单元;然后通过仿生物体的神经元信息传输方式,设计基于异步编码的总线式电路结构;最后通过将所设计的电路系统结构与传感单元相结合,得到一种快速响应的超灵敏仿生压力电子皮肤。结果表明,通过引入仿生表皮结构,所设计的柔性压力传感单元具有高灵敏系数(1914.701)、快速响应(52 ms)和高稳定性的特点。基于异步编码设计的串行-并行信号传输模式可有效提升信息传输速度,显著提升电子皮肤信息感知的实时性,此外,仿神经元信号传输模式使得电子皮肤只要信息传输通道不受到破坏,仍能保留完整的传感功能。

关键词：电子皮肤超灵敏电阻式异步编码可扩展

具有敏感微结构的电阻式柔性压力传感器的研究

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具有敏感微结构的电阻式柔性压力传感器的研究

作者：常胜西安建筑科技大学

学位级别：硕士

柔性压力传感器作为柔性电子前沿技术的重要组成部分,随着信息技术的迅猛发展逐渐成为科研热点之一。为了满足不同应用场景的需求,柔性压力传感器应该能够同时具备高灵敏度、宽量程以及高稳定性等性能特点。电阻式柔性压力传感器虽然凭... 详细信息

柔性压力传感器作为柔性电子前沿技术的重要组成部分,随着信息技术的迅猛发展逐渐成为科研热点之一。为了满足不同应用场景的需求,柔性压力传感器应该能够同时具备高灵敏度、宽量程以及高稳定性等性能特点。电阻式柔性压力传感器虽然凭借其简单的结构、便于实现的信号调理和良好的线性度被广泛关注,然而现阶段电阻式柔性压力传感器的高灵敏度与宽量程难以兼顾的矛盾以及复杂的制备工艺和高昂的成本都限制了其在实际应用中的推广。为了克服上述问题,本文设计并制备了两种不同敏感微结构的电阻式柔性压力传感器,并进行了性能测试。主要研究内容和结果如下:(1)板条敏感结构柔性压力传感器的设计与制备。首先,利用机械有限元方法构建具有不同尺寸的板条敏感结构传感器的力学模型,分析板条结构参数对传感器灵敏度的影响规律,完成板条敏感结构的尺寸参数优化。其次,根据参数优化结果,采用混合溶液模板法并以印刷电路板(PCB,Printed Circuit Board)为成型模板制备多壁碳纳米管/水性聚氨酯(MWCNT/WPU)导电复合材料的板条结构压敏层。最后,将上述设计并制备得到的压敏层与以聚酰亚胺(PI,Polyimide)为柔性基底单面叉指电极封装得到板条结构柔性压力传感器。(2)全纸基柔性压力传感器的设计与制备。选用具有疏松微结构的桑皮纸和孔隙微结构的滤纸作为柔性基底。首先,采用抽滤工艺将高导电率的银纳米线(Ag NW)在滤纸表面形成导电薄膜作为上、下电极;利用滴涂/浸涂工艺将MWCNT导电墨水材料涂覆在桑皮纸表面制备压敏层。其次,研究了不同的工艺参数、不同的导电材料含量对电极和压敏层表面形貌和导电性能的影响规律,确定了最优工艺参数以及选材,将三层相同的压敏层堆叠后与上、下电极封装得到全纸基柔性压力传感器。(3)分别对两种柔性传感器进行了特性测试与应用试验。对于板条敏感结构的柔性压力传感器,凭借板条敏感结构和材料的优势,该传感器在0-1.5 k Pa范围内的灵敏度可达46.66 k Pa,在1.5-7.5 k Pa范围内的灵敏度可达6.67 k Pa;同时具备优异的稳定性以及超过500次循环后的高耐久性。设计的板条敏感结构传感器能够准确测量微小压力,实现人体生理信号实时监测,且制备方法成本低,结构简单,一致性高,对促进可穿戴设备和其他相关设备的发展有积极作用。对于全纸基柔性压力传感器,得益于桑皮纸的多孔隙网状结构和压敏层堆叠结构,传感器在0-50 k Pa、50-500 k Pa和500-1000 k Pa的压力范围内分别具有6.26、4.69和1.707 k Pa的高灵敏度,检测极限低至1 Pa,并且在1000次循环加载/卸载中表现出极佳的稳定性以及可重复性;以上特性预示其在可穿戴设备与物联网领域的广阔的应用前景。

关键词：敏感微结构电阻式柔性压力传感器宽量程全纸基

基于MXene的柔性电阻式压力传感器的制备与性能研究

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基于MXene的柔性电阻式压力传感器的制备与性能研究

作者：魏琦昆电子科技大学

学位级别：硕士

随着众多柔性功能材料的不断合成以及人们对医疗健康方面的逐渐重视,能够适应生物复杂表面形貌、无生物毒性、可弯曲和延展的柔性传感器在可穿戴生理监测器件、电子皮肤等方面具有广泛的应用前景,而能够实现脉搏、关节屈伸测量和声音识... 详细信息

随着众多柔性功能材料的不断合成以及人们对医疗健康方面的逐渐重视,能够适应生物复杂表面形貌、无生物毒性、可弯曲和延展的柔性传感器在可穿戴生理监测器件、电子皮肤等方面具有广泛的应用前景,而能够实现脉搏、关节屈伸测量和声音识别的多功能柔性压力传感器是研究的重点之一。本文以柔性电阻式压力传感器为研究对象,使用MXene材料碳化钛(TiCT)为敏感材料,以印刷导电银浆的聚酰亚胺(PI)薄膜为柔性基底,分别在电极层和基底层引入微结构钼金属片(m-Mo)和微结构聚二甲基硅氧烷(m-PDMS)薄膜,并对聚氨酯(PU)海绵和聚乳酸(PLA)纤维采用浸渍法构建了不同的三维MXene复合支撑结构,最终组装形成了两种柔性压力传感器。本文的主要研究内容和测试结果如下:1.使用氦等离子体刻蚀的m-Mo电极与MXene@PU复合海绵共同构建了三明治结构PI/MXene@PU/m-Mo柔性电阻式压力传感器,实验结果表明PU海绵的多孔弹性结构结合m-Mo表面尖锥状微结构深入海绵孔洞提供的丰富的电流收集位点,使器件在0.5-100 kPa的宽响应范围具有r=0.995的高线性度。探测灵敏度为1.52[kPa],响应时间为260 ms,探测阈值约为500 Pa,在6000轮重复测试中未见明显性能下降,在应用测试中对脉搏、关节屈伸、足底踩踏均表现出良好的敏感特性,达到可穿戴器件的测试要求。2.使用磨砂玻璃流延制备的m-PDMS薄膜与MXene@PLA复合纺丝薄膜共同构建了叉指电极结构PI/MXene@PLA/m-PDMS柔性电阻式压力传感器,实验结果表明外界压力能够使纤维间距和分布情况发生改变,使依附在其表面的MXene材料接触情况发生改变,同时m-PDMS柔性层提供的粗糙表面使压力更均匀的施加在纺丝薄膜表面,提升了器件的灵敏度。响应曲线在0-30 kPa和30-100 kPa分段线性,探测灵敏度分别为6.89[kPa]、1.87[kPa],响应时间为110 ms,探测阈值约为200 Pa,6000次循环测试下有较好重复性。降解实验结果表明复合纺丝薄膜在120 h内基本降解完全,具备环境友好性。在应用测试中对脉搏跳动、手指按压、吞咽、声带振动表现出良好的敏感特性,表明器件对生理运动情况能够进行准确快速的检测。

关键词： MXene 微结构电极电阻式柔性压力传感器人体应用检测

基于rGO/PDMS可穿戴电阻式柔性压力传感器的制备和性能研究

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纺织导报 2022年第6期 92-92,94,95,96页

作者：任孟陈宇岳张德锁林红苏州大学纺织与服装工程学院苏州大学现代丝绸国家工程实验室

文章介绍了一种基于还原型氧化石墨烯(rGO)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)的电阻式柔性压力传感器,提出了一种制备柔性压力传感器的新方法,并研究了rGO浓度对该传感器灵敏度的影响。结果表明,该柔性压力传感器具有较高的灵敏度,当rGO掺杂量为4%... 详细信息

文章介绍了一种基于还原型氧化石墨烯(rGO)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)的电阻式柔性压力传感器,提出了一种制备柔性压力传感器的新方法,并研究了rGO浓度对该传感器灵敏度的影响。结果表明,该柔性压力传感器具有较高的灵敏度,当rGO掺杂量为4%时,灵敏度最大可达到76.321 kPa^(-1),可用于监测人体关节弯曲程度和手腕中的脉搏运动。该电阻式柔性压力传感器制造成本低,灵敏且耐用,在机器人皮肤和智能穿戴领域具有广泛的应用前景。

关键词：柔性压力传感器 rGO/PDMS 电阻式可穿戴

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电阻式碳通量传感器的研制

金属热处理 1991年第4期16卷 20-26页

作者：张月娥陈仁悟机电部北京机电研究所陕西机械学院

研制了一种电阻式碳通量传感器,以期直接测试渗碳过程中由气氛传递到渗件的碳通量,进而控制整个渗碳过程,特别是过饱和渗碳过程。该传感器结构新颖、制造工艺简单、质量可靠,本文还初步探索了渗件碳通量J_(?)和传感器碳通量J_传之间的关... 详细信息

研制了一种电阻式碳通量传感器,以期直接测试渗碳过程中由气氛传递到渗件的碳通量,进而控制整个渗碳过程,特别是过饱和渗碳过程。该传感器结构新颖、制造工艺简单、质量可靠,本文还初步探索了渗件碳通量J_(?)和传感器碳通量J_传之间的关系,指出了传感器的稳态扩散原理,给出了用传感器内碳势C_(P内)直接计算J_传的公式。

关键词：碳通量传感器电阻式渗碳测试

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电阻式与电容式纳米钛酸钡湿敏元件性能分析

仪器仪表学报 2004年第Z1期25卷 50-51页

作者：王晓华王兢石凯贺大连理工大学电信学院大连116023

用纳米晶钛酸钡粉末制成电阻式和电容式两种结构的湿敏元件。测量了两种结构元件在不同湿度(11%～98%)、不同频率(10Hz～100kHz)时的电阻、电容、阻抗等电学参数,对元件的灵敏度、阻抗、湿滞、响应—恢复时间等感湿特性进行了测量和分... 详细信息

用纳米晶钛酸钡粉末制成电阻式和电容式两种结构的湿敏元件。测量了两种结构元件在不同湿度(11%～98%)、不同频率(10Hz～100kHz)时的电阻、电容、阻抗等电学参数,对元件的灵敏度、阻抗、湿滞、响应—恢复时间等感湿特性进行了测量和分析。结果表明两种结构的湿敏元件都具有较高的灵敏度,但最佳测试频率不同。

关键词：湿敏元件电阻式电容式纳米钛酸钡

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电阻式气体传感器阵列集成变送电路设计

电阻式气体传感器阵列集成变送电路设计

作者：刘燕妮电子科技大学

学位级别：硕士

电阻式气体传感器是基于电极间敏感薄膜的电阻或电导随周围环境的气体组成或气体浓度的改变而变化的一种化学器件。这种传感器具有制备工艺简单、测量方便、易于实现阵列化、能满足不同材料的制备工艺的要求、可以与CMOS工艺兼容实现集... 详细信息

电阻式气体传感器是基于电极间敏感薄膜的电阻或电导随周围环境的气体组成或气体浓度的改变而变化的一种化学器件。这种传感器具有制备工艺简单、测量方便、易于实现阵列化、能满足不同材料的制备工艺的要求、可以与CMOS工艺兼容实现集成化等优点。因此,本文的研究重点是在CMOS工艺下,设计电阻式气体传感器的变送电路和3×2的叉指阵列,并将叉指阵列与变送电路集成到同一个芯片上,实现了系统的集成化、小型化和低功耗,减少了外界信号的干扰,提高了气体传感器的灵敏度和稳定性。全文首先对电阻式气体传感器的工作机理和噪声进行分析,选择六种气敏薄膜材料,并结合气敏薄膜的工作特点提出了三种变送电路模式,分别是积分放大模式、跨阻放大模式和差动放大模式。为了节约流片成本,将三种电路集成到同一个芯片上,通过设置相应的开关,选择需要的工作模式。对每一种变送电路结构进行了设计、仿真、分析和优化。仿真结果显示当气敏电阻变化20%时,积分放大模式的线性度1.12%,传感器的分辨率0.02%,单通道功耗11.5 mW;跨阻放大模式的线性度0.88%,传感器分辨率0.02%,单通道功耗10 mW;差动放大模式的线性度1.04%,传感器分辨率0.024%,单通道功耗7.5 mW。其次,本文基于0.5μm CSMC CMOS工艺条件下,采用顶层金属开口焊盘的方式,将叉指电极的金属裸露实现了叉指阵列。对三种模式的电路进行了版图设计,并将电阻式气体传感器的叉指电极阵列与其相应的变送电路集成在一起,芯片最终面积1.65 cm×1.56 cm,版图设计完后进行了流片。最后,根据流片后的芯片,设计了相应的简易封装,并测试电路的性能,针对三种不同的变送电路模式,分别进行了相同浓度下的甲醇重复性测试和不同浓度下的NH3气敏性能测试,结果显示差动放大电路外部接口简单,线性度好,但是薄膜阵列制备难度高;跨阻放大电路能实现气敏电阻的实时检测,但是毛刺较为明显;积分放大电路输出较为平缓,是但外部输入接口较为复杂。三种电路都能成功实现气体的检测,非线性误差保持在2%以内,并具有良好的重复性和恢复性。

关键词：电阻式气体传感器阵列集成变送电路 CMOS工艺

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电阻式位移计的安设和应用新技术

金属矿山 1989年第2期18卷 33-35页

作者：朱明亮长沙矿山研究院

本文介绍了安装电阻式位移计的新方法,即在大直径中深孔内,用钢筋笼式水泥砂浆作孔内、孔口固定器,取代了传统的双楔式金属固定器;用接力式一字型排列的布点方式,取代了铅垂布点方式。

关键词：位移计电阻式位移测量仪

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电阻式皮安级微电流源技术研究

电阻式皮安级微电流源技术研究

作者：梁伟哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

微电流的产生对航天、通信、医学、生物等许多领域的发展有着重要意义,微电流的测试也在各种科学研究和工业领域中有着广泛的应用,无论是微电流的产生还是测试都离不开微电流源。国内对于微电流源方面的研究起步较晚,主流的微电流源设... 详细信息

微电流的产生对航天、通信、医学、生物等许多领域的发展有着重要意义,微电流的测试也在各种科学研究和工业领域中有着广泛的应用,无论是微电流的产生还是测试都离不开微电流源。国内对于微电流源方面的研究起步较晚,主流的微电流源设备的分辨率和稳定性等关键指标均与发达国家存在一定差距,针对这一问题,本文开展了对微电流源技术的研究,主要进行了以下几个方面的研究工作:首先,对可以产生直流微电流的几种基本电路进行了研究,在此基础上对比分析国外皮安级微电流源的设计原理,选择了电阻式的实现方案,进而确定了整个直流微电流源系统的总体设计方案。其次,对直流微电流源系统设计过程中的关键技术进行了研究。主要是漏电和噪声等问题。为了解决电路板绝缘不足的问题,在重要的需要防漏电的地方采用了聚四氟乙烯绝缘端子;在高值电阻(10Ω以上)表面涂低吸湿性绝缘漆,防止空气湿度影响其阻值;采用双层屏蔽的高绝缘继电器,来减小继电器上产生的漏电流。对静电计运放这一重要器件的选择和使用进行了研究,并对系统的噪声进行了分析,提出了噪声的抑制措施。再次,对系统各个部分的硬件电路进行了设计。设计了基于16位脉冲宽度数模转换器的电压源电路,可实现0.2V-20V三个量程电压的精确调节,分辨率在1m V以上。对电压电流转换电路进行了设计和仿真分析,对各个量程的电阻和继电器进行了选型。为了保证静电计运放的超低偏置电流特性,设计了自举式的电压检测电路,并采用了保护环结构,通过仿真分析证明了该结构的有效性。最后,搭建了直流微电流源系统的试验平台,编写了基于LabWindows/CVI开发平台的上位机程序和基于ARM平台的下位机程序,对系统进行实验研究。首先对关键子电路部分的输出进行了测试,然后分别测试了直流微电流源系统无源式输出和有源式输出两种情况的短期稳定性,实验结果表明,有源式输出的不确定度要高于无源式输出,且两种输出结果均可以满足本次设计的最高不确定度为0.5%的设计指标。

关键词：直流微电流源电阻式漏电流噪声误差分析