基于黑磷烯/氧化石墨烯双介质层的柔性电容式压力传感器

设计并制备了由黑磷烯/氧化石墨烯双层材料为介质层的电容式柔性压力传感器,该传感器结构以ITO为电容上下极板,PET为柔性基底,并对该传感器进行了系统的性能测试与分析。着重研究了该传感器在不同压力量程内的灵敏度,进而分析了其温度漂移特性。测试结果表明,以黑磷烯/氧化石墨烯薄膜为双介质层的电容式柔性压力传感器在0～3.12 kPa压力量程内灵敏度可达到1.60 kPa^-1。同时,对该传感器和以氧化石墨烯薄膜为单介质层的传感器进行了弯曲应变性能的对照实验,可知具有双介质层的传感器结构能够显著提高传感器的输出特性。     

基于PDMS海绵介质层的电容式柔性压力传感器

柔性压力传感器以其低成本和大的检测范围等优势广泛的应用于电子皮肤和可穿戴传感器领域。本文通过在PDMS中填充碳酸氢铵材料,制备了大面积高密度具有微观结构的PDMS海绵介质层,通过简易的方法完成了柔性压力传感器的制备。与以往的柔性压力传感器相比,制备的PDMS海绵介质层由于气孔的存在更容易在受到压力时发生形变,拥有高的灵敏度(0.23 kPa^-1)、大的检测范围(0～50 kPa)、稳定的重复性(>1 000循环)以及快的响应时间(<150 ms)。通过对不同厚度、不同大小的PDMS海绵介质层进行测试,利用厚度为1.5 mm,大小为8 mm×8 mm的PDMS海绵作为压力传感器的介质层实现了力的实时检测。     

血压计用MEMS压力传感器设计与制造

针对微机电系统(MEMS)压力传感器灵敏度及线性度较难兼顾的问题,设计了一种可应用于电子血压计量程为40 kPa的MEMS压力传感器.首先基于硅压阻式MEMS压力传感器的工作原理,使用COMSOL Mutilphysics软件对传感器结构进行仿真设计,根据理论计算各结构尺寸,得到可获得最高输出灵敏度以及最小非线性的电阻...     

微型光纤光栅土压力传感器量程及其过载能力分析研究

为定量分析压力传感器的测量量程及其过载能力,提出一种微型光纤光栅土压力传感器并构建其气压标定系统。对微型光纤光栅土压力传感器进行理论分析得其灵敏度为7.5 nm/MPa,测量量程可达1.06 MPa。而分析光纤光栅土压力传感器性能测试数据得:该传感器压力灵敏度为5.9 nm/MP,线性度为99.93%,可测量实际量程为225 kPa,过载能力上限值为300 kPa。研究结果可用于指导设计规定量程的光纤光栅土压力传感器,具备一定应用价值。     

基于改进型精密整流电路的电容式微位移传感器设计

介绍了一种改进型精密整流电路,该电路基于一个模拟多路复用器,无需二极管和匹配电阻,克服了传统整流电路中的非线性问题。同时基于该精密整流电路设计了一种电容式微位移传感器。测试结果表明,在0～1.6mm的量程内,该电容式微位移传感器的非线性误差小于0.6‰,灵敏度约为4.3V/mm。     

E型碳化硅压力传感器的优化设计

描述了一种性能优越的SiC压力传感器的理论和仿真运用基于小扰度的解析模型计算出了这种传感器的应变分布.根据应变分布规律优化设计了传感器的力敏电阻.利用ANSYS软件分析了该传感器的一些重要特性.与传统的传感器(圆膜传感器)相比,量程为500 kPa的该传感器表现出优异的灵敏度(24.8 μV/V.kPa)和非线性度小于0.08%.仿真结果与测量结果基本一致.     

光频域分析光纤压力传感技术研究

本研究结合增材制造制备OFDR（Optical Frequency Domain Reflectometry)分布式压力传感器，考虑填充密度对打印模型应变变化的影响并对OFDR分布式压力传感器进行室内标定试验。结果表明：（1）在打印过程中，模型同一密度不同位置点的内部温度变化量趋于一致；（2）随着模型填充密度的增加，压力传感器的灵敏度呈减小趋势。当填充密度分别为20%、40%、60%、80%、100%时，对应的传感器量程分别为4.00 MPa、8.80 MPa、11.88 MPa、7.92 MPa、3.828MPa，传感器的灵敏度依次为：0.269με/kPa、0.203με/kPa、0.165με/kPa、0.149με/kPa、0.101με/kPa；（3）压力传感器的应变变化量与加载的应力变化具有良好的线性关系，聚乳酸脂打印耗材的弹性恢复能力表现良好。因此，将光频域分布式光纤嵌入到增材制造的模型内部制作而成的压力传感器，不但克服了一些传统的传感器易受电磁干扰、传感参数调节不灵活、制作流程复杂等缺点，而且缩短了传感器的研发和生产周期，降低生产成本。     

基于FBG的机器人柔性触觉传感器

为了满足机器人与外界环境、对象发生接触及交互作用时的触觉感知需求,提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的柔性触觉传感器．该传感器采用3×3 FBG阵列作为柔性传感元件,聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料构成双层柔性基体．介绍了传感器的传感原理并采用有限元方法对其弹性体进行力学仿真分析,基于标定实验平台完成该传感器的静态标定实验．传感器的空间分辨率为25mm,在10mm×10mm载荷施加单元下,对力的感知范围为0～7N,且传感器具有较好的线性度和灵敏度,重复性和一致性良好,力灵敏度为0.16nm/N．实验结果和分析研究都证明了柔性触觉传感器的可行性．该传感器与人体皮肤触感及结构极为相似,且布线简单、抗干扰能力强．     

基于柔性电极结构的薄膜电容微压力传感器

基于柔性电极结构,本文设计、制作了薄膜电容微压力传感器,在阐述传感器工作原理的基础上,提出了两种设计思路,即基于柔性纳米薄膜的电容式微压力传感器和具有微结构的柔性电极薄膜电容式微压力传感器,并结合传感器的结构和柔性材料的加工特性,进一步提出了相应的力敏特性材料结构优化思路和加工流程,利用该流程得到了一种结构轻薄、工艺简单、高灵敏度的微压力传感器。经测试,本文制作的压力传感器的灵敏度能够达到218 fF/mmHg,在智能穿戴和可植入压力检测等领域显示出较好的应用前景。     

高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器的研究

针对高端领域对高性能微小量程压力传感器的迫切需求，设计并实现了一种应用于电子血压计的高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器，并提出了相应的检测电路。根据小挠度弯曲理论设计了传感器方形敏感薄膜结构，确定了纳米硅薄膜压敏电阻的阻值大小和尺寸。采用ANSYS有限元分析（FEA）对所设计的传感器结构进行仿真，根据仿真结果确定了压敏电阻在膜片上的最佳放置位置。基于标准MEMS制造技术，在SOI基纳米硅薄膜上设计并实现了该压力传感器。实测结果表明，室温下，在0～40 kPa微压测量范围内所设计的传感器检测灵敏度可达0.45 mV/（kPa·V），非线性度达到0.108%F.S。在-40℃～125℃的工作温度范围内，温度稳定性好，零点温度漂移系数与灵敏度温度漂移系数分别为0.004 7%F.S与0.089%F.S。所设计的压力传感器及其检测电路，在现代医疗、工业控制等领域具有较大的应用潜力。     

Three electrodes touch-mode capacitive pressure sensor

 A three-electrode capacitive pressure sensor for touch-mode operation with sensitivity of 0.030 pF/kPa (or 10.4 mV/kPa using CP-10 C/V converter circuit) in the pressure range of 170–280 kPa is presented with theoretical explanation of experimental results. A special ring structure is designed to integrate a sensing capacitor and a reference capacitor into the same cavity to partially cancel out the temperature effect. A third electrode is included to eliminate two-level connections without reducing its pressure sensitivity. The sensor offers the advantages of simple fabrication processes, planar connections, as well as high sensitivity, near-linear output, and large over-range pressure.     

Packaging effect investigation of WL-CSP with a central opening: A case study on pressure sensors

This study reports the packaging effects of wafer-level chip scale packaging (WL-CSP) with a central opening on piezoresistive pressure sensors. A regular pressure sensor with calculated sensitivity of 3.1 × 10^?2 mVV^?1 kPa^?1 and a sensitive pressure sensor with calculated sensitivity of 32.0 × 10^?2 mVV^?1 kPa^?1 are investigated. A finite element (FE) model validated by experimental measurements is used to explore the sensing characteristics of the pressure sensors. The results show that the output variation of the packaged pressure sensor is dominated by the CTE mismatch not the piezoresistive coefficient change as temperature varies. WL-CSP with small polyimide (PI) thickness and large PI opening produces small packaging induced stress, making it ideal for precision sensing for both regular and sensitive pressure sensors.     

基于LCP衬底的柔性湿度传感器研究

介绍了一种新型柔性电容式湿度传感器.该柔性电容式湿度传感器采用液晶高分子聚合物(LCP)作为衬底,金属铜(Cu)作为叉指电极,聚酰亚胺(PI)作为湿度传感器的湿敏介质.LCP衬底的应用使得该传感器具有良好的柔性和可弯曲性.该柔性湿度传感器与传统硅基湿度传感器相比较具有成本低廉、结构简单、制作方便等优点.该柔性湿度传感器在25℃下的平均灵敏度为0.04%pF/%RH,最大回滞为±4.16%RH,其平均灵敏度在25℃~70℃范围内受温度影响较小.在25℃下其响应时间和恢复时间分别为36 s和39 s.该柔性湿度传感器可以应用于环境湿度检测、人工电子皮肤系统和可穿戴设备等领域.     

基于强度解调的Fabry－Perot型光纤MEMS压力传感器

运用微机械系统加工技术制作了一种新型法布里-珀罗干涉型光纤微机电系统压力传感器,该传感器通过测量反射光谱的移动测量压力.运用多腔干涉原理对该传感器进行理论以及模拟分析得出,通过改变压力传感器的尺寸可较容易的调节压力线性测量范围和灵敏度.实验结果表明,在压力线性测量范围[0.1～1.0]MBa内,灵敏度可达到12.71 nm/MPa(光谱移动/压力).     

MEMS光纤法珀压力传感器的设计及解调方法实现

基于外界压力引起敏感膜片形变导致腔长变化来实现压力信号传感的原理,提出了一种MEMS光纤法珀压力传感器的设计,建立了传感器敏感膜片的挠度变化与膜厚、半径及施加压力的关系理论模型,并在此基础上进行了膜片的MATLAB二维数值仿真和Comsol Multiphysics三维数值仿真,并完成了FP压力敏感头的制作,进而设计了能够应用于光纤传感的解调方法,搭建了光纤传感的压力测试系统并进行了相关实验,利用所设计的解调方法对实验数据进行处理,进而对压力传感器的性能及特性进行了测试和验证。实验结果表明,传感器测试曲线线性度良好,与数值仿真结果基本一致,在100 kPa的量程范围内其灵敏度可达62.3 nm/kPa,温度敏感系数为0.023μm/℃,测量精度3.93%,且最小压强分辨率为1.29 kPa,证实了该MEMS光纤法珀压力传感系统具有一定的可行性。     

Design and fabrication of implantable pressure sensing resistor sensor for human bladder monitoring system

Many aging people and patients have difficulties in bladder control. Recent methods have been studied for non-invasive measuring for bladder information. It must be improved to a more convenient and real time measurable system for accurately analyzing and controlling individual bladder information. This paper presents the pressure sensor for the invasive bladder monitoring system. The system has the pressure sensing resistor sensor (PSRS) which is set-up inside the bladder. The PSRS consists of a flexible and contactable diaphragm which deforms towards an underlying substrate while a range of pressure is applied. The flexible diaphragm has a thin metal film which acts as a switch and the underlying substrate has interdigitated electrodes which serve as a variable resistor. The PSRS initially exhibits infinite electrical resistance with no external pressure applied since the metal switch is not contact with the interdigitated electrodes. As the applied pressure increases above a threshold, the contact area increases thus the resistance of the PSRS decreases. Based on the finite element analysis, proper ranges for the diaphragm size and gap distance are determined. The sensor, the diaphragm size of which is 2.6 × 2.6 mm², has been fabricated through MEMS technology. The change of the electrical resistance is 0.5 Ω for the range of human bladder pressure (0–10 kPa). This PSRS will be effectively used for reliability and stability of the research for the improvement of bladder management. It can also be utilized for the future application.     

CMOS integrated elliptic diaphragm capacitive pressure sensor in SiGe MEMS

A novel CMOS integrated Micro-Electro-Mechanical capacitive pressure sensor in SiGe MEMS (Silicon Germanium Micro-Electro-Mechanical System) process is designed and analyzed. Excellent mechanical stress–strain behavior of Polycrystalline Silicon Germanium (Poly-SiGe) is utilized effectively in this MEMS design to characterize the structure of the pressure sensor diaphragm element. The edge clamped elliptic structured diaphragm uses semi-major axis clamp springs to yield high sensitivity, wide dynamic range and good linearity. Integrated on-chip signal conditioning circuit in 0.18 μm TSMC CMOS process (forming the host substrate base for the SiGe MEMS) is also implemented to achieve a high overall gain of 102 dB for the MEMS sensor. A high sensitivity of 0.17 mV/hPa (@1.4 V supply), with a non linearity of around 1 % is achieved for the full scale range of applied pressure load. The diaphragm with a wide dynamic range of 100–1,000 hPa stacked on top of the CMOS circuitry, effectively reduces the combined sensor and conditioning implementation area of the intelligent sensor chip.     

基于光子晶体光纤的在线压力监测技术

为了监测紧凑结构件的内部层间压力,提出一种采用新型材料保偏光子晶体光纤为敏感单元的嵌入式压力在线检测技术。建立了传感模型,采用Sagnac干涉技术组建检测系统,并进行了实验研究。通过实验验证,检测系统输出干涉峰值的移动量与光纤横向压力成线性关系,传感器可检测压力范围为0~10 kN,压力灵敏系数为0.4414 nm/kN,传感器精度2.6%,且能明显观测到光纤上方垫层材料的松弛效应。试验验证敏感单元的重复性能良好,且温度敏感系数仅为-11.8 pm/℃,使得该类传感器具有良好的抗温度干扰性及工程实际应用性。     

基于基片集成波导和消逝模谐振腔的压力传感器设计

提出一种新型的基于基片集成波导和消失模谐振腔的压力传感结构。设计了圆形空腔,当施加外界压力时,圆形空腔发生形变从而使谐振腔谐振频率变化。采用共面波导线对谐振腔进行耦合馈电并将频率信号传输出来。通过读取传感器的回波损耗参数( S11)来表征压力与频率的关系。利用高频仿真软件HFSS对谐振腔进行了仿真设计和优化,设计尺寸为30 mm×30 mm×1.93 mm,与传统谐振腔相比体积明显减小。传感器基底为Rogers 4003C板材,采用PCB技术进行加工。搭建压力测试平台对传感器进行测试,结果表明在0~3 N的压力范围内变化100 MHz,绝对灵敏度为25 MHz/N。仿真和实测结果比较吻合,验证了所设计压力结构的有效性。