柔性压力传感器的原理及应用

柔性压力传感器作为一种新型的电子器件,它在人机交互、医疗健康、机器人触觉等应用领域具有比刚性传感器更大的优势,但也对材料提出了更严格的要求.例如,它要求构成器件的材料很薄、较软,在某些情况下可贴合于人体皮肤表面或者植入体内,这进一步要求材料具有良好的生物相容性,并能与生物组织实现良好的力学匹配.在器件性能方面,柔性压力传感器的设计主要关注于灵敏度、响应时间、检测限、稳定性等性能的提高.最近,研究者们又将目光拓展到了器件的压力响应范围、压力分辨率、空间分辨率及拉伸性能等,使得传感器具有更广阔的应用前景.本篇综述介绍了近年来柔性压力传感器研究的进展,主要包括柔性压力传感器的传感原理、传感性能及应用前景,并最后对该类器件的发展进行了展望.     

一种热对流式MEMS二维质点振速传感器

由空气质点振速传感器和声压传感器组成的矢量传声器是测量声场空间信息的重要方式。本文设计了一种新型热对流式二维质点振速传感器,不同于传统平行线式传感机制,该器件由多线进行交叉连结形成一个中央十字加热器和四个直角测温线,构成新的局域加热和温度传感方式,基于此设计能够获得更高的灵敏度并具有理想的正交性。通过数值分析对其传感机制进行了详细分析,并使用MEMS工艺进行器件制备和性能验证。实验结果表明,该器件具有良好的响应灵敏度和接近完美的正交指向性。所提出器件在体积受限的声场测量中具有潜在应用价值。     

自驱动柔性生物医学传感器的研究进展

柔性传感器是生物医学领域的研究热点,受到了广泛的关注.然而,柔性传感器需要外部电池供能,续航时间短,这成为了制约其发展的瓶颈.自驱动电子器件概念的提出,为解决续航问题提供了重要思路.本文梳理了自驱动柔性生物医学传感器的最新研究进展,从原理、材料、器件和生物医学应用等角度出发,概述了不同自驱动技术在人体生理信号传感方面的技术特点与研究现状,重点介绍了部分穿戴式和植入式自驱动柔性传感器在人体的呼吸、脉搏、温度监测和人工感觉器官中的代表性研究工作.最后,本文还对自驱动柔性生物医学传感器当前的挑战和未来的发展趋势进行了展望和总结.     

光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展

光纤法布里-珀罗干涉温度和压力传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、体积小和抗电磁干扰能力强等优点,已被广泛应用于军事和民用领域.在某些环境恶劣,如具有强电磁干扰和腐蚀性,或提供给传感器的安装空间非常有限的特殊工业领域,微型光纤温度和压力传感器发挥着重要的作用,国内外诸多高校、科研院所都在对其进行研究.本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术、及其压力和温度传感应用的研究进展.详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺,分析了不同制作工艺的优缺点;详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用;最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行了总结和展望.     

轮辐式光纤光栅压力传感器的设计与实现

利用光纤光栅作为基本传感元件，设计研制了一种基于轮辐式压力盒装置的新型光纤光栅压力传感器.常温下在0～30 KN的范围内，其测量线性度达到99.91%，灵敏度达到22 N，且响应速度快.与其它类型的光纤光栅压力传感器相比，轮辐式光纤光栅压力传感器具有更大的测量范围、更高的抗干扰能力，并且由于光纤光栅本身的波分复用特性，可以很方便地构成压力传感网络进行多种物理量、多点的测量.实验表明：本传感系统具有结构简单、操作方便、滞后小、重复性好、结构高度小、重量轻等优点，在桥梁、大厦等超大型建筑以及大型管道等的检测与监测方面将会有更为广阔的应用前景.     

镱薄膜传感器压阻灵敏度的研究

 采用真空蒸发工艺制备镱薄膜传感器,在小于1 GPa压力范围内对未经任何处理和300 ℃真空热处理1 h两组镱薄膜传感器进行准静态加载标定,后者的压阻系数明显高于前者,并且大于箔式镱传感器的压阻系数,结合扫描电镜和电学性能测试分析,发现热处理有助于薄膜晶粒长大,降低薄膜电阻率,从而提高了镱薄膜传感器的压阻灵敏度。XRD测试分析结果表明,加压有促使薄膜晶粒长大的趋势。镱薄膜传感器制作工艺简单、性能稳定,在工业中具有广泛的用途。     

石墨烯谐振式力学量传感器研究进展

传统谐振式传感器的谐振敏感元件大多采用金属、石英晶体、硅等材料制成,但随着谐振式传感器朝着小型化、微型化、实用化的趋势发展,不但要求新型谐振子材料可进行微纳加工,还对其灵敏度和精度提出了更高的要求.石墨烯这种新型二维纳米材料,因具有出色的力学、电学、光学、热学特性,在谐振传感领域有着巨大的应用潜力和研究价值,因此基于石墨烯材料的力学量传感器有望在小型化、高性能和环境适应性等多方面超越硅基力学量传感器.本文针对石墨烯谐振式力学量传感器,介绍了石墨烯材料的基本性质、制备与转移方法,阐述了谐振式传感器的工作原理与应用特点,进而分析了关于石墨烯谐振特性优化与谐振器制备的理论与实验研究;在此基础上,重点总结了石墨烯谐振器在压力、加速度、质量等传感器领域的研究进展,梳理了石墨烯谐振式力学量传感器在薄膜转移、结构制备与激振/拾振等方面的技术问题,同时也明确了石墨烯在谐振传感领域的研究价值和发展潜力.     

双弹簧管光纤差压传感器

设计了一种利用对称反转连接的双弹簧管作为差动压力传感元件,进行差动压力测量的光纤传感器.这种光纤传感器是在通用光纤传感设计实验系统的基础上,利用三光纤反射调制技术,实现光源强度的变化和光纤中光功率损耗的变化以及反射率的变化自动补偿的.理论上,分析了这种反转对称差压传感弹性元件在使用过程的优点,给出了三光纤补偿理论分析方法.实验上,获得了该光纤差压传感器的线性输出测试结果.     

基于压电纳米发电机的柔性传感与能量存储器件

柔性电子与柔性传感器件未来将广泛应用在物联网、可穿戴、可植入系统中,例如人体健康监控、触觉感知人造感官以及智能机器人电子皮肤等.柔性压电纳米发电机的能量转换特性,使其不仅可以作为供能器件,而且可以作为传感器件提供传感信号,可以解决柔性电子与自驱动技术中存在供能与性能的限制.纳米发电机利用调控界面与表面的极化电场可以获得高性能传感与能量存储,提供自驱动特性,同时具有与目前电子技术相媲美的高性能.本文综述了柔性压电纳米发电机在柔性传感与能量存储领域的最新研究进展.     

基于分布布拉格反射光纤激光器的压力传感器

介绍了一种基于单纵模分布布拉格反射(DBR)光纤激光器的新型压力传感器.该传感器基于拍频检测原理,其解调方法与传统光波长解调相比成本低且易实现.激光器谐振腔的增益光纤在应力作用下感生双折射从而导致单纵模激光器原本简并的正交偏振模式分离,互相差拍,产生1 GHz左右的拍频.对这种新型传感器进行了理论分析和实验论证,通过对0～1.2 N范围内压力进行传感检测,测得拍频为800~1200 MHz,曲线拟合度达到99.76 %.结果表明,该压力传感器不仅延续了光纤光栅传感器高灵敏度等优点.还可以看作是在原有光纤Bragg光栅传感技术的升级,以分布布拉格反射(DBR)代替光纤光栅作为传感基元,将无源传感升级为有源传感,以提高信噪比和传输距离.     

光纤布拉格光栅柔性传感器研究进展

光纤光栅传感器具有质量轻、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,尤其具有良好的柔韧性和相容性,可通过特殊制备工艺将光纤光栅与柔性材料制作成高密度分布式感知的柔性传感器。介绍了光纤光栅的基本传感原理;详细介绍了分别采用硅橡胶、纺织品以及其他聚合物作为基底的光纤光栅柔性传感器,并分析了各类柔性传感器的制备工艺技术、结构特点和性能;最后讨论了柔性传感器存在的主要问题、应用领域和未来研究方向。     

微纳技术及微纳机电系统（下）

 几乎在集成电路起步发展的同时,在1950 年,巴丁（John Bardeen）和肖克利（W.Shockley）预言了单晶半导体在外力作用下形变,并会有相当大的电导变化。1954 年,来自美国凯斯西储大学（Case WesternReserve University）的史密斯（C.S. Smith）到贝尔实验室进行访问工作,报道了“掺杂硅和锗中,在剪切应力作用下具有相当大的压阻剪切系数”,由此,标志着在微尺度上硅的传感性能研究的开始,如应变计、压力传感器、加速度计、力/位移传感器等。     

基于FA-RBF神经网络的压力传感器的温度漂移补偿法

针对温度对硅压阻式压力传感器输出的影响问题,提出基于因子分析和RBF神经网络相结合的补偿方法.利用因子分析实现对原始信息的筛选和降维;结合RBF神经网络的非线性映射、自适应能力和强容错性对补偿过程进行建模,减少网络的输入,利于简化网络结构,进而加快收敛,节省运行时间,提高网络的学习速率与泛化能力.研究结果表明,该方法有效地抑制了温度对压力传感器的影响,提高传感器的稳定性和准确性.     

基于拉杆结构的光纤布拉格光栅渗压传感器研究

根据目前大坝、隧道和煤矿等工程领域和模型试验中对渗压检测的特殊要求,设计并实现了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)渗压传感器,采用波纹膜片和对称拉杆机械结构通过改变光纤光栅的轴向应变实现渗压传感。利用有限元软件ANSYS分别对传感器膜片的压力特性和传感器外壳抗压特性进行了仿真设计和性能分析,提高了传感器的可靠性并缩短了设计周期。对该传感器进行了压力标定试验,得出该传感器在0～100 kPa的测量范围内,压力灵敏度达20 nm/MPa,比普通FBG提高了6683倍。迟滞特性和重复性试验表明迟滞为0.85%,且重复性好。     

基于ZSSC3008的智能应变式传感器设计

针对压阻式传感器存在的零点偏差、满度偏差以及输出信号的非线性误差,提出了采用ZSSC3008传感器信号调理芯片进行补偿校准的方案。描述了传感器补偿系统的整体构架, 阐述了ZSSC3008的硬件结构、应用电路设计以及对传感器的补偿过程。实验结果表明：用上位机补偿校准软件对传感器补偿后,实现了传感器的一致性以及输出信号与压力良好的线性关系,并具有操作效率高的优点。     

柔性磁性薄膜材料与器件研究进展

近年来,随着物联网、仿生机器人、移动式医疗健康等领域的兴起,柔性电子材料和器件受到广泛关注.基于磁性材料构建的传感器和存储器是电子器件的重要组成部分.随着柔性薄膜材料制备技术的发展,人们已经制备出高质量的柔性乃至可拉伸的磁性金属和氧化物薄膜,它们展现的不仅是更强的变形能力,还有新的物理效应与响应规律.研究结果表明,柔性磁电子器件在非接触传感、高灵敏应变探测、超分辨触觉感知等方面展现出独特的优势,具有广阔的应用前景.本文主要从柔性磁性材料的制备、物性调控规律和器件应用方面综述这一新兴领域的发展动态,并对其未来的发展趋势进行展望.     

光纤布拉格光栅用于黏质土中静压沉桩贯入特性的测量研究

为深入研究光纤光栅(FBG)传感技术在静压沉桩贯入特性测试中的适用性,采用大比例模型实验系统进行静压沉桩贯入实验。数据测试采用光纤光栅应变传感器,同时采用轮辐式压力传感器和光纤光栅压力传感器作对比。通过在桩端和桩顶安装全截面动态轮辐压力传感器和光纤光栅压力传感器,对比分析基于两种传感技术的静压沉桩贯入过程差异。同时基于FBG传感技术采集桩身应变数据,研究静压沉桩贯入过程的桩身侧摩阻力、桩身轴力和桩身单位侧摩阻力等贯入特性。研究结果表明:FBG传感技术对静压沉桩的贯入测试性能优越,能够准确体现静压沉桩的贯入特性,清晰反映随沉桩深度增加的静压沉桩过程,同时由静压沉桩过程分析发现,桩顶压桩力、桩端阻力、桩身轴力和桩身单位侧摩阻力具有稳态贯入的特点,这对静压沉桩的模型实验与工程设计具有较大的参考价值。     

阻变式存储器存储机理

阻变式存储器(resistive random access memory,RRAM)是以材料的电阻在外加电场作用下可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的一类前瞻性下一代非挥发存储器.它具有在32nm节点及以下取代现有主流Flash存储器的潜力,成为目前新型存储器的一个重要研究方向.但阻变式存储器的电阴转变机理不明确,制约它的进一步研发与应用.文章对阻变式存储器的体材料中几种基本电荷输运机制进行了归纳,总结了目前对阻变式存储器存储机理的理论模型.     

基于石墨烯/石墨烯卷轴复合薄膜高灵敏度柔性压力传感器（英文）

一维导电材料例如纳米线,大量应用于柔性压力传感器中.但是一维材料和基底之间接触时相互作用力较弱,使得传感器灵敏度、响应时间、和循环寿命等性能指标有待进一步提高.针对这些问题,设计了石墨烯/石墨烯卷轴多分子层复合薄膜作为传感器导电层.石墨烯卷轴具有一维结构,而石墨烯的二维结构可以牢固地固定卷轴,以确保高导电性复合薄膜与基底之间的粘附性,同时整体结构的导电通道得到了增加.由于一维和二维结构的协同效应,实现了应变灵敏度系数3.5 kPa~(-1)、响应时间小于50 ms、能够稳定工作1000次以上的压阻传感器.     

分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展

光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域,其技术形式主要体现为分立式和分布式.分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测参量的变化,光纤作为光信号的传输通道连接光纤传感器及后端的解调装置;分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应,利用光纤本身作为传感器,可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感.本文介绍了分立式与分布式光纤传感中主要关键技术的研究进展,并对未来的研究和发展方向进行了探讨.