AgNWs/MXene增强的柔性多孔压阻传感器的制备与性能研究

随着物联网、人工智能等技术的兴起,柔性压阻传感器在人工触觉、健康监测、仿生电子皮肤等领域具有广阔的应用前景.目前柔性压阻传感器的灵敏度和稳定性与实际应用还存在一定的差距.本文中以AgNWs和MXene为导电材料,以具有良好生物兼容性的明胶为聚合物基体,采用冷冻干燥法制备一种多孔蜂窝状的AgNWs-MXene/明胶压阻传感器.测试结果表明所制备的柔性压阻传感器在0～14 kPa压强范围内具有3个线性响应区,在4～9 kPa压强范围内灵敏度最高,为116 kPa^-1.该传感器的响应时间最快可达1.79 s,且对人体脉搏跳动及肢体的运动状态具有良好的压阻敏感特性,表明实验所制备的柔性压阻传感器在柔性可穿戴电子器件领域具有良好的应用前景.     

柔性触觉传感器用力敏导电橡胶力学灵敏度研究

以炭黑(CB3100)为导电相,硅橡胶为基质制备导电复合材料.研究了基于力敏导电橡胶的柔性触觉传感器灵敏度随复合材料的填料用量,不同种类填料并用而变化的特性.对材料的弹性形变、炭黑和填料并用的网络化进行了分析.通过实验,获得了在不同填料配比下的力敏导电橡胶的横向和纵向力灵敏度,渗流区不同位置下的灵敏度.实验表明,当炭黑(8%)和SiO2(27‰)并用时,复合材料电阻刚好处于渗流区的高阻态端,弹性模量较低,力学灵敏度高.采用体压阻效应与界面压阻效应相结合的方式制作柔性触觉传感器可获得较高力灵敏度.     

高灵敏度离子皮肤手指关节角度传感器的设计

为解决柔性传感器监测手指关节运动时灵敏度、测量范围及阈值有限的问题,设计并制备了一种多介电层(3层)结构形式的离子皮肤手指关节角度传感器。该传感器由多个硅橡胶薄膜和高保水性的离子凝胶电极构成,当穿戴传感器的手指关节弯曲时,根据应变引起其电容信号的变化,可测得手指关节弯曲角度。构建多介电层结构形式的离子皮肤应变传感理论模型;推导多介电层离子皮肤手指关节角度传感器的角度传感理论模型;测试传感器输出与手指关节角度关系。实验结果表明,传感器角度传感理论模型与测试结果吻合较好;传感器灵敏度为单介电层离子皮肤手指关节角度传感器的3.5倍,测量范围囊括手指关节从展平到完全弯曲状态角度,阈值小于1°,具有灵敏度高、测量范围广和阈值低的特性。离子皮肤多介电层的结构形式及理论模型对康复训练患者及微操纵机械手的精准测量具有较好应用前景。     

电致动驱动器的变形量研究

用红外光谱、扫描电镜表征了介电弹性体VHB4910在不同预拉伸条件下的结构和形貌;用能谱分析了柔性电极导电膏中元素的种类和数量;在优化条件下由VHB4910和柔性电极制备了电致动驱动器,测试了其应变响应特性,并在柔性电极中加入0.3%的银粉进行相关对比实验.研究表明:VHB4910经等轴预拉伸后,材料表面更均匀,应变效果更好;在加压5 kV时,未添加银粉的柔性电极制作的电致动驱动器能产生更大变形量,为149.8%,推测其与"量子隧道效应"有关.     

基于非均匀分布微结构的柔性压力传感器性能调控

[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.     

柔性触觉传感器用导电橡胶压阻特性及其拟合

以炭黑(CB3100)为导电相,硅橡胶为基质制备柔性触觉传感器用导电复合材料.分析了测量压阻特性的电极置于导电橡胶体内或覆盖于导电橡胶表层对压阻实验数据的影响.实验结果表明,压阻特性非线性特性明显,采用二次多项式拟合压阻实验数据可获得高拟合优度,且电极内嵌于导电橡胶测得的压阻数据拟合的相关系数均高于电极外贴在导电橡胶上测得的压阻数据拟合的相关系数.灵敏度与材料的初始电阻正相关,电极外贴于导电橡胶表面的传感器结构可获得较高的力灵敏度.     

乙基纤维素电纺纤维调控PDMS/CNT柔性复合材料性能的研究

研究了乙基纤维素(EC)电纺纤维调控PDMS/CNT柔性复合材料的力学和电学性能.结果表明,引入电纺EC纤维后,PDMS/CNT柔性复合材料的拉伸强度从1.73 MPa提高至3.97 MPa,断裂应变由86.56%提高到115.00%,韧性由0.61 MJ·m^-3提高到1.58 MJ·m^-3;有缺口PDMS/CNT柔性复合材料的拉伸强度从0.34 MPa提高至1.57 MPa,断裂应变由18.85%提高到27.54%,韧性由0.04 MJ·m^-3提高到0.27 MJ·m^-3;导电电阻由550 kΩ下降至228 kΩ,导电性上升.基于EC电纺纤维调控的PDMS/CNT复合材料组装的应力传感器灵敏度和循环稳定性获得了有效提升,引入1 wt%EC电纺纤维后,柔性应力传感器的灵敏度从0.341 kPa^-1提高至4.922 kPa^-1,提升了14倍,引入电纺EC纤维后的传感器循环电阻变化率曲线变得相对更加规整,异常波动更小.     

一种全柔性电容式触觉传感器设计与试验

为实现法向力与切向力感知,设计了一种可用于机器人仿生皮肤的电容式柔性触觉传感器,并设计成阵列结构.以硅橡胶为柔性基体,有机硅导电银胶为上下两柔性极板,共同构成电容式触觉敏感单元.分析并介绍电容式柔性触觉传感器的工作原理、结构设计及触觉信息采集与处理系统.可实现法向力0~5 N范围内灵敏度为6.78 f F/N,切向力0~3 N范围内灵敏度为11.45 f F/N的触觉感知功能.试验结果表明,该全柔性电容式触觉阵列传感器具有良好的稳定性与灵敏度,可用作人工皮肤实现触觉感知.     

介电泳操控不同基团修饰多壁碳纳米管气体传感器对SO_2的气敏性能

利用介电泳法在铬-银-金微电极上制备了本征多壁碳纳米管(MWNTs)气体传感器及不同基团修饰多壁碳纳米管(MWNTs-x,x:NH2,OH,COOH)气体传感器,考察了MWNTs和MWNTs-x在非均匀电场中的介电响应行为,将8 V,2 MHz的电泳参数确定为多壁碳纳米管气体传感器的制备条件;在介电泳力作用下MWNTs和MWNTs-x的颗粒均被捕获到电极尖端,发生了正介电泳(p-DEP).室温下研究了制备的气体传感器对不同浓度二氧化硫(SO2)的气敏性能,研究发现传感器对SO2的响应时间、恢复时间和灵敏度随SO2气体浓度的增加而增大,不同基团修饰MWNTs气体传感器对SO2的灵敏度较本征MWNTs传感器的灵敏度显著提高,氨基修饰MWNTs(MWNTs-NH2)气体传感器的灵敏度最高,为本征MWNTs气体传感器的17–23倍,碳管与SO2间的毛细力、表面张力、氢键、化学键等相互作用为影响传感器气敏性能的因素.     

不同材料导电纱线针织柔性传感器的传感性能

为满足集成针织柔性传感器的智能无缝内衣对于传感性能的要求,结合提花添纱编织技术,采用不同导电纱线作为原材料制备了不同传感区尺寸的针织柔性传感器.通过定伸长拉伸试验考察了针织柔性传感器的电阻-应变关系及重现性,并采用正交试验分析了影响传感器灵敏系数的因素.结果表明,当针织柔性传感器的应变小于15%时,不同线密度的镀银锦纶丝、镀铜锦纶丝针织柔性传感器的电阻与应变均呈线性关系,其重现性良好,适宜作为编织针织柔性传感器的导电材料.影响镀银锦纶丝传感器灵敏系数的显著性因素依次为:镀银锦纶丝线密度、横列数、横列数与纵行数的交互作用,在设计传感区尺寸时,横列数比纵行数更为重要.含铜腈纶纱和含铜腈纶/涤纶混纺纱针织柔性传感器的电阻与应变只在小应变(≤2%)时才能满足线性关系,因此不能作为导电材料用于针织柔性传感器的编织.     

A facile and cost-effective approach to fabrication of high performance pressure sensor based on graphene-textile network structure

High performance flexible pressure sensors have received tremendous attention due to the potential applications in wearable electronics and humanoid robotics. Herein, a low-cost, time-saving fabrication strategy is reported to efficiently construct highly sensitive and scalable pressure sensors based on graphene-textile. The flexible pressure sensor was prepared through a dip coating approach where the graphene ink was used as the active material and textile with ordered network structure, serves as the flexible support matrix. By increasing the number of layers of the textile, the pressure sensor could achieve a high linear sensitivity value of 0.23 kPa⁻¹, a broad pressure range from 0 to 140 kPa, and a durability over 800 cycles. It was found that the network structure of the graphene-textile contributed to the enhancement of the sensing performance due to the piezoresistive effect resulting from the deformation of conductive graphene-textile. Moreover, by virtue of its exceptional properties, it is demonstrate that the high performance flexible pressure sensor could be further used to detect human physiological signals, such as wrist pulse, finger press detection and walking state monitoring, indicating its promising potential to flexible and wearable electronics.     

融沉变形对柔性路面应力应变影响试验研究

为了研究多年冻土地区路基融沉变形对柔性路面力学性能的影响,采用松铺土和埋设工业冰块2种冻土路基融沉变形模拟方法,修建室内大尺度柔性路面结构试槽并逐层埋设传感器.采用承载板试验方法进行柔性路面面层和基层应力应变检测,通过检测数据的分析得出了融沉变形对柔性路面应力应变的影响规律.结果表明:松铺土测点和埋设工业冰块测点面层与...     

先进传感器材料及其应用研究

传感器材料是传感器技术的基础,新材料的开发及应用促进了新型传感器的发展。文章扼要阐述了导电复合材料、纳米金属材料、碳纳米管材料等先进传感器材料在复合式柔性触觉传感器、电化学生物传感器、半导体气敏元件传感器中的应用。     

Studies of Stability in Electrical Property and Sensitivity of Polypyrrole Conductive Fabrics Used for Intelligent Flexible Sensors

Electrically conducting fabrics used as flexible sensors can be produced by vacuumed vapor deposition. The research of what impacts the wide and reliable application of the flexible sensors shows that the stability of flexible sensors is one of the critical issues. The electrical performance of weft knitted fabrics in course and wale direction does not show significant differences underdifferent ambient conditions,which include time,temperature,and relativehumidity. Tests of stimuli responding sensitivity of conductive fabrics indicate that the sensitivity keeps at a constant level and the average sensitivity is stable over 38 days.     

碳纳米管柔性应变传感器在智能纺织品中的应用

智能纺织品不仅拥有日常穿着的所需功能,而且兼具智能性,柔性纺织材料的选择是当前纺织材料研究的重点。在柔性材料中,碳材料是制备柔性应变传感器的理想材料之一。以碳纳米管为柔性材料制备的柔性应变传感器在智能纺织品中的应用为研究内容,从碳纳米管的结构组成、性质及其应用等方面,介绍碳纳米管柔性应变传感器的研究现状;从材料选择、制备方法、性能测试及应用等方面,阐述以碳纳米管纤维和碳纳米管薄膜为柔性材料制备的柔性应变传感器的特性和功能;从制备难点、生产成本、实际应用效果等方面,对碳纳米管柔性应变传感器的优缺点进行评述。研究认为,在大应变下具有高灵敏度将是今后碳纳米管柔性应变传感器研究的方向。     

化学蚀刻在光纤光栅低频微振加速度传感器中的应用

介绍了一种自行研究应用双光纤光栅作为传感元件的加速度传感器制作方案，在理论上论证了使用双光纤光栅对加速度的测量具有不受温度影响和增加灵敏度的优点。同时，分析了化学蚀刻在Si晶体上制作光纤光栅加速度传感器的具体工作过程，以及残余应力对传感器的影响。     

油气田开发过程中的压力拱效应

 与矿山开采类似,油气开采时,储层和上覆岩层中会产生不均匀变形,从而在上覆岩层中形成压力拱。本文对油气开采时,储层和上覆岩层的变形特征进行了总结,利用现场实例说明了压力拱效应在油气开发过程中的存在性,同时对压力拱的表征参数以及计算方法进行了总结。提出了如果低渗和致密储层忽略压力拱效应,将会夸大应力敏感对储层开发特征的影响,同时导致该类储层开发策略的错误制定。对于该类储层,压力拱将会使得上覆岩层的部分重量传递到外围岩层中,有效地防止储层进一步变形,部分消除应力敏感的影响。压力拱将随着压降漏斗半径的增加而不断地向外扩展,可以增大压降漏斗内外裂缝的导流能力,从而提高油气井的产量和采收率,因此压力拱比较大的低渗致密储层可以适当放大生产压差。     

柔性可穿戴应力传感器的研究进展

柔性可穿戴传感器由于其可拉伸、可弯曲、轻薄便携和优异的电学性能等特点被广泛应用于健康诊断、运动监测、康复医疗、娱乐等领域.近年来,柔性可穿戴应力传感器取得了显著的进步,多种可测量健康信息的柔性应力传感器已被应用于脉搏波、运动、呼吸和心电图(electrocardiogram,ECG)检测.然而,柔性传感器的发展仍然有诸多待解决的问题.对近年柔性应力传感器的发展进行了全面的归纳总结,从应力传感器的工作原理、结构设计展开,探讨了如何构建高性能柔性应力传感器,讨论了当前柔性传感器存在的问题,展望了未来柔性应力传感器的发展趋势.出色的柔韧性、良好生物兼容性、快速响应、高灵敏度、多功能集成的柔性可穿戴传感器展现出广阔的应用前景.     

气敏材料Zn2 SnO4的制备及其特性测量的实验研究

为解决实验内容方法陈旧,制备气敏元件的性能指标无法满足实际测试要求的问题,对半导体气敏材料的制备及其气敏特性测量进行了实验研究,从而提高元件的性能,并使实验内容满足本科教学更加贴近科学研究前沿的需求。通过采用溶剂热法制备了三元金属氧化物Zn2 SnO4气敏材料并对其性能进行了系统测量,并将该实验内容应用于电子功能材料实验的开放性创新实验中。结果表明,基于Zn2 SnO4材料的气敏元件对HCHO 气体表现出优异的气敏特性。通过该实践过程,使学生掌握一种合成纳米材料的新方法,了解材料表征方法,该项目的实施有利于学生提高科研素质和创新能力的培养。     

Advanced flow measurement and active flow control of aircraft with MEMS

Advanced flow measurement and active flow control need the development of new type devices and systems.Micro-electro-mechanical systems(MEMS) technologies become the important and feasible approach for micro transducers fabrication.This paper introduces research works of MEMS/NEMS Lab in flow measurement sensors and active flow control actuators.Micro sensors include the flexible thermal sensor array,capacitive shear stress sensor and high sensitivity pressure sensor.Micro actuators are the balloon actuator and synthetic jet actuator respectively.Through wind tunnel test,these micro transducers achieve the goals of shear stress and pressure distribution measurement,boundary layer separation control,lift enhancement,etc.And unmanned aerial vehicle(UAV) flight test verifies the ability of maneuver control of micro actuator.In the future work,micro sensor and actuator can be combined into a closed-loop control system to construct aerodynamic smart skin system for aircraft.