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新型灵敏压力传感器可助力医疗可穿戴设备的发展

2019-12-23

该研究团队在自然合作期刊(Nature Partner Journals, npj)《npj-柔性电子》上发表了一篇题为“Polymeric foams for flexible and highly sensitive low-pressure capaciTIve sensors”的论文,文中详细介绍了这种由复合泡沫材料构成的电容式传感器,该泡沫材料的闭气孔被导电炭黑颗粒所覆盖。

新型灵敏压力传感器可助力医疗可穿戴设备的发展

研究人员采用油包水乳液法,将由炭黑(CB)液滴组成的水基乳状液分散到固化前的PDMS基体中。固化聚合物后再完成水蒸发,就会形成一种弹性体结构,该结构的球形空隙上覆盖着炭黑颗粒。然后将复合泡沫夹在顶部和底部两条导电柔性碳带电极之间,以形成一种三明治结构,获得完整的电容式传感器。

通过试验不同的炭黑浓度、分散浓度和材料厚度,研究人员发现,在1.2mm薄的复合泡沫层中加入10?wt %的炭黑,可获得优异的灵敏度。论文中显示,0 ~ 0.2kPa范围内的压力灵敏度为35.1kPa?1,0.2 ~ 1.5kPa范围内的压力灵敏度为6.6kPa?1。

此外,该材料具有高电容(超过100pF),可在无需任何信号放大的情况下,轻易地使用低成本电子设备来测量。只需1v的偏压即可记录器件的电容响应,且由于材料电阻率较高,该传感器在1kPa压力传感下能耗只需约100nW(显示10MΩ电阻)。研究人员称,这比传统的硅压阻式压力传感器效率高出几个数量级。

将这种电容式压力传感器安装在受试者手腕上,可记录动脉脉搏的压力变化,提供实时且原位的电容读数。研究者预计,这种超灵敏传感器可被设计为一种简单的贴片来监测血压,通过记录动脉脉搏波(如电容信号)并使用基于人工智能(AI)的算法将其转换成对应的压力值。

这种复合材料也可用于设计机器人的压敏人造皮肤。论文中提到了一种特殊医学应用,可利用机器人“触诊”软组织器官,来检测软组织中的嵌入式结节。研究者指出,毫米级结节的硬度变化低于0.1?kPa,这就需要像论文中所示的高度灵敏传感器。
       (来源:电子发烧友)