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日本科学家研发在测量应变和压力时可拉伸的硅胶传感器
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日本科学家研发在测量应变和压力时可拉伸的硅胶传感器

2020-10-21 14:20:25 来源:传感器专家网 点击:434

【大比特导读】因此,全球的研究人员和设计工程师一直在寻找不同的方法,在设备层面创建完全柔性的电子元件,特别是可穿戴式传感器,它们在消费、工业、国防和医疗技术等一系列领域都有一些有用的应用。

最近可穿戴电子领域的创新加大了对柔性和可拉伸电子系统的研究。

虽然传统的基于CMOS的元件领域数十年来的工作使其大幅小型化,但这些器件仍然是脆性和不灵活的。虽然它们可以被放置在柔性PCB基板上以实现一定程度的灵活性,但这种解决方案不会很快实现真正的体形器件。

因此,全球的研究人员和设计工程师一直在寻找不同的方法,在设备层面创建完全柔性的电子元件,特别是可穿戴式传感器,它们在消费、工业、国防和医疗技术等一系列领域都有一些有用的应用。

拉伸式传感器

不过,可拉伸物理传感器有一个固有的问题--弹性。当可拉伸传感器的弹性太大,拉伸太远时,不必要的相互作用会导致一个轴的测量结果在另一个轴上产生误差。这可能会阻碍先进电气系统(如可穿戴设备和软机器人)的关键发展进度。

传感器

例如,一个完全正常和有规律的运动,如肘部或膝盖的弯曲,可能足以将传感器推到超出其结构完整性。这就会在压力运动测量上产生很大的误差,使传感器无法同时测量压力和应变。

压力传感器(传感器)的工作原理是利用恒定面积的传感元件,对流体压力施加的力作出反应。施加的力使传感器的膜片发生偏转,然后进行测量并转换为电输出。

如果传感器的其中一个轴偏离了足够大的系数(例如,因为它被拉伸得太远),这将导致不准确的读数,因为压力(P)是通过将力(F)除以面积(A)来计算的-P=F/A.

在消费类可穿戴设备中,这些不准确的数据会给用户带来困扰。在医疗或安全关键型应用中,它们可能是危险的。

让传感器回弹

日本横滨国立大学(YNU)的研究人员声称已经找到了解决这一问题的方法,他们提出了一种 “压力和应变传感器的单片阵列”,能够同时并独立地检测运动的力和弯曲变形。

在发表的论文中,研究人员描述了使用两种不同的材料,一种是软的,一种是硬的,来保护传感器既能拉伸又能精确测量运动的能力。在阵列上沿着电极放置了一个硬硅胶(PDMS),在每个放置的核心位置,他们放置了能感知压力的软多孔硅胶。

硅胶基板,是由两种不同类型的硅制成,一种是硬硅,一种是软硅。较硬的硅胶(PDMS)可以抑制压力传感元件在应变下的变形。图片使用由横滨国立大学Hiroki Ota提供。

"压力感应元件周围的PDMS可以防止元件在开发装置张力过程中出现大的变形。"论文作者、YNU工程学院副教授Hiroki Ota说。

PDMS核心的软性多孔硅胶压力中心受到PDMS硬壳的保护。这使得它可以测量压力的力,而不会被过度拉伸超过可靠的误差范围。它还允许传感器测量压力和应变,作为运动的独立贡献者。

通过可弯曲传感器了解人体运动

此外,在映射阵列的矩阵中,列电极和行电极的电阻比压力传感器的电极低。“这种基质和电极电阻的控制可以防止设备的拉伸变形影响压力的传感。”Ota补充道。

可拉伸阵列中的电极可以以低于检测压力所需的速率测量应变,从而实现压力和应变的独立感应。

研究人员计划将他们的传感器应用于物理键盘,并将其安装在人体上。他们表示,这种键盘将能够随着人体的弯曲而弯曲,并且仍然能够检测到指尖的压力。他们还希望利用该传感器进一步了解人类手部的触摸和运动。

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