基于双层微结构的碳纳米管柔性应变传感器的研究

设计了一种具有双层微结构的柔性压阻式应变传感器,并进行了制备方法研究。通过在半固化的环氧树脂基底(Ecoflex~? 00-30)表面制备形成碳纳米管(MCNTs)/环氧树脂(Ecoflex~? 00-30)复合薄膜,用毛刷制备微结构。通过测试分析可得,该柔性应变传感器具有高度可拉伸性能,可承受200%的应变,在0～80%,80%～170%,170%～195%的应变区间,GF值分别为10.5,40.5,190.5。将传感器进行可穿戴运动监测测试,可验证本传感器既可以实现手指和手腕运动等大动作应变的监测,输出电阻值相对变化达到7.5倍;也可以监测肌肉形变弯曲等小应变,输出电阻值相对变化达到1.4倍。     

银纳米线柔性压阻式触觉传感器的研究

触觉传感器是智能机器人感知外界环境和与人交互的关键环节。多种物理测量和高延展性使触觉传感器得到更广泛的应用。本文介绍了一种制造工艺简单、成本低廉的柔性触觉传感器。根据电阻的变化,可以检测温度和接触压力。设计了一种由PDMS膜、纸基银纳米线和PDMS膜组成的三明治结构。制备纸基银纳米线阵列,并在阵列末端用导电银膏引出铜线。整个传感器的尺寸为3cmx3cm。在实验过程中,测量了施加压力和改变表面温度时阵列交点处的电阻。结果表明,该传感器的压力检测灵敏度为2.8?/N,温度检测灵敏度为0.18?/oC。该传感器的结构和制备工艺简单可行,在机器人电子皮肤中具有广阔的应用前景。     

柔性高灵敏单壁碳纳米管气体传感器研究

在柔性聚对二甲苯C基底上制作了基于单壁碳纳米管的小型化、高灵敏、反应快速的气体传感器。使用介质电泳集成碳管束,并利用单链脱氧核糖核酸修饰增强器件灵敏度。当传感器暴露在甲醇蒸气中时,会出现明显可重复的反应,它可以检测含量低至4.3×10-6的甲醇,并且在相当宽的体积分数范围有清晰的分辨能力。对于4.3×10-6的含量,未修饰的传感器对应电阻变化率是4.8%;经过脱氧核糖核酸修饰,电阻变化率增加到了12.3%。此外,该传感器还显示了很快的响应速度和很好的测试复验性。研究表明:这种柔性气体传感器在未来环境监测应用中有很好的前景。     

压阻式柔性压力传感器阵列信号采集系统设计

针对触觉传感检测的实际需求,基于STM32单片机,采用分档分压与恒流源相结合的方法设计了一种压阻式柔性压力传感器阵列信号采集系统;基于串口通信技术设计了计算机信号读取与分析系统.设计开发的系统可以实现传感器阵列信号的实时采集、分析和存储,系统稳定性较好.采用标准电阻对研制的信号采集系统进行了性能检验,系统测量阻值与标准...     

碳纳米管/PDMS复合材料柔性阵列压力传感器制备与实验

以碳纳米管（CNTs）作为导电填料,聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基体材料,采用溶液法制备出CNTs/PDMS导电复合材料。研究了碳纳米管浓度对复合材料的电学特性和压阻特性的影响规律,得到碳纳米管在PDMS中的渗滤区域。通过复合材料的压力灵敏度优化碳纳米管浓度。以制备的复合材料为敏感材料,FPCB工艺加工的柔性基板为电极,设计制备了一种简单结构和工艺的柔性阵列压力传感器。用零电势法设计了阵列电阻读出电路与LabVIEW实现的上位机配合,实现信号读取和显示。最后通过一个应用实例表明,该柔性阵列压力传感器及信号处理系统可以实现压力分布与大小的实时监测,可为柔性阵列压力传感器设计与制备提供参考。     

单壁碳纳米管的猝灭效应用于银离子的检测

基于单壁碳纳米管(SWNTs)良好的猝灭性能,发展了利用单链DNA(ssDNA)和单壁碳纳米管的荧光探针用于对Ag+进行检测的方法。其中富含C碱基的FAM标记的单链DNA(ssDNA)与单壁碳纳米管(SWNTs)发生π*π间的相互作用后,其荧光被猝灭。当有Ag+加入时,ssDNA会由于C-Ag+-C作用形成发夹结构,刚性增强从而脱离碳纳米管使荧光信号较好的恢复,据此可检测Ag+。该方法简便,避免了ssDNA一端标记荧光基团另一端标记猝灭基团的较为昂贵的标记费,对Ag+的检测下限为0.6nmol/L,可应用于实际水样中的检测。     

利用DEP和流体驱动的碳纳米管组装研究

碳纳米管在微结构上的组装是实现纳器件的关键.本论文分别采用电泳和流体驱动方法对两种不同的多壁碳纳米管进行了排布组装研究.电泳过程中频率一定时,增加电压或电泳时间,碳管沉积的密度增加;流体排布组装过程中,适当的流体速度得到较好的排布效果;较直的碳管取得更好的排布组装效果.同时根据实验结果对电泳和流体驱动两种组装方法的优势和问题进行了比较,结果表明,介电电泳组装能实现在电极间的定位组装,流体排布组装可实现较大面积的均匀排布.     

基于机器学习的柔性触觉传感器设计

提出了一种有效检测压力位置的柔性触觉传感器设计方案,以碳纳米管为导电填料,以聚氨酯为基体,制备了一种可大面积成型的柔性压敏材料。同时,采用微处理器STM32F103、多路模拟开关CD4051和阻抗测量芯片AD5933搭建了信号采集电路,通过放置在边界的电极采集柔性材料内部的阻抗信息,利用机器学习分类算法检测压力位置。实验结果表明:柔性传感器能有效检测压力位置,空间分辨率为2.5ｃｍ,准确率为83.63％.此外,提出的传感器内部无导线分布,结构简单,成本较低,易于大规模生产和应用。     

棉织物/PVA/CNTs复合柔性压阻式压力传感器的制备与性能研究

以弹性棉织物、聚乙烯醇和碳纳米管为原料,采用浸泡烘干法,以聚酰亚胺薄膜为保护层,制备了一款叉指型柔性压阻传感器.研究了传感器的表面形貌、灵敏度、迟滞性和重复性,并探讨了基于柔性压阻传感器的应用.结果表明:传感器具有较宽的压力适用范围(0～200 kPa),并且随着CNTs浓度的增加传感器的灵敏度和灵敏度最大时的压强范围增加;CNTs浓度为1.0％时,传感器的迟滞性误差为22.1％,重复性误差为37.8％,其循环性能以及输出电阻和输入压力之间的同步性能有待提高.基于良好的传感性能和稳定结构,验证了人体生理信号监测,例如人体手指按压、关节弯曲运动和呼吸时腹部收缩运动,表明开发的压力传感器在智能服装、智能机器人和智能医疗等方面具有良好的应用前景.     

基于柔性测试式技术的倾角传感器自动测试式平台设计

针对传统的倾角传感器性能测试效率低、精度差,自动化程度低和容易受人为因素干扰等问题,设计了一套基于柔性测试技术倾角传感器测试平台,给出了测试系统的总体设计思想以及软硬件的设计.该测试平台借用柔性技术理念,以双轴转台为平台,配置集成化的多种数据通信接口模块,配合程控电源等集成模块构成硬件系统,通过VC6.0++设计的上位机软件,具有控制转台转动、配置电源电压、读写传感器数据、分析并保存数据等功能.整个系统的具有良好的灵活性、扩展性、实时性和通用性且整个测试过程操作方便,能够对多种型号的倾角传感器进行标定和检测,实现了测试自动化.     

基于多壁碳纳米管的结露型湿度传感器的研究

采用酸氧化法对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行表面修饰,并研究了基于MWCNTs/羟乙基纤维素(HEC)复合体系的结露传感特性。通过红外光谱和热失重分析对MWCNTs进行了结构表征。氧化处理有效提高了MWCNTs的分散性。基于改性MWCNTs的结露元件与本征MWCNTs的器件相比表现出更好的开关特性。结露元件在相对湿度(RH)为75 %RH以前伴随湿度变化,电阻变化非常小,而在85 %RH以后呈现电阻的非线性增大。MWCNTs在复合膜中的最佳质量分数约为22 wt%,在100 %RH下灵敏度达到31。     

基于多壁纳米碳管的传感器对甲苯的气敏性研究

传感器的基底为Al2O3,上面真空溅射了叉指金电极,在电极之间涂布微量多壁纳米碳管悬浊液,干燥后作为气敏膜.室温下测试电极暴露于甲苯气体前后的电阻变化,发现吸附了甲苯后电极的导电能力下降,且下降的幅度与被测甲苯浓度有良好的线性关系.该实验结果预示着多壁纳米碳管是一种良好的室温下检测甲苯的敏感材料.对该气敏响应的产生机理本文进行了一些初步的探讨.     

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.     

一种基于电子隧穿机制的柔性氢气传感器

氢气传感器在涉氢安全领域扮演着重要角色,随着可穿戴设备大量应用,柔性氢气传感器的发展日益受到重视。纳米粒子薄膜以其离散的纳米颗粒状结构和独特的电学响应性质成为了理想的柔性氢气敏感材料。通过在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性衬底上沉积钯(Pd)纳米粒子薄膜构筑了一种柔性氢气传感器。通过上百次反复弯折,该传感器体现了较好的机械性能和电学稳定性,气敏性能在弯折循环前后无衰减。通过系统研究应变状态下的氢气响应性质,发现拉应变使Pd纳米粒子薄膜的氢气响应度增大,而压应变效应则相反。其原因主要归结为应变导致的纳米颗粒间距变化,拉应变产生的较大的纳米颗粒间距会使得传感器电流基线降低,且足够大的纳米粒子间距更能容纳Pd纳米粒子吸氢导致的晶格膨胀,反之亦然。此外,拉应变使Pd纳米粒子薄膜对氢气的响应时间显著缩短,而压应变产生的效果则相反。该氢气传感器探测范围达到0~10%,响应时间可达数秒量级,探测下限为25×10^-6。在低氢气浓度范围内,响应度ΔI/I0与P1/2H2呈现线性关系,对4%浓度氢气的响应度可达600%,灵敏度可达3.28% Pa-1/2。这些结果表明,该传感器具备优异的传感性能,在柔性气体传感器领域具有极大应用潜力。     

基于EIT技术的柔性触觉传感器的设计

随着机器人技术的日益发展,柔性传感器在机器人皮肤上的应用也得到了新的发展。本文提出并研究了一种基于导电聚合物压敏电阻效应的柔性触觉传感器的设计,使用由聚二甲基硅氧烷PDMS（Poly Di Methyl Siloxane）和多壁碳纳米管（MWCNTs）混合而成的导电橡胶作为传感器主体,运用EIT（Electrical Impedance Tomography）技术,设计并制作了本系统的硬件电路,并用其检测、传输导电橡胶的边缘电势数据。最后在计算机中应用工具包EIDORS进行有限元模型和图像重构技术,有效且直观的将导电橡胶上的受力位置表现出来。实验对1~3个目标分别进行了成像,证明了本设计的可行性。     

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。     

基于柔性力敏传感器的左右脚动态识别方法

在利用柔性力敏传感器获取动态足底压力分布数据时,能够准确快速自动区分左右脚的数据将极大提升数据的可视性和分析的便利性。为此,提出了一种基于足底压力和脚印外观形状的左右脚动态识别方法。首先,基于足底动力学原理,利用连通域的图像分割算法对足底压力数据进行聚类分析,得到每一步压力脚印的时间和坐标范围;在此基础上进一步分离出完整的单步压力数据;最后利用单步压力数据刻画脚印轮廓,并根据轮廓的外观特征进行左右脚识别。本文提出的方法可应用于步态分析、临床辅助诊断、步态识别等领域。通过108个实测数据样本的测试表明：本文方法的识别率高达94.5%,并具有较好的鲁棒性。     

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．     

基于不同训练模式的纳米金柔性传感器的 手势动作识别

假肢控制技术研究中,研究者们通常利用解码表面肌电信号(Surface Electromyography,sEMG)来获得截肢者的运动意图。传统的 sEMG 采集中,为降低皮肤与电极之间的阻抗,通常需要涂导电膏后与皮肤直接接触,因此会导致部分患者皮肤过敏和身体不适,且 sEMG 容易受肌肉疲劳影响,不利于长期监测。针对以上问题,该研究采用一种纳米金柔性传感器,解码其因肌肉收缩拉伸后产生的形变信号,并探究两种不同训练模式在此方法下的分类性能。其中,训练模式包括：重复训练模式,即每组重复做同一个动作;随机训练模式,即动作顺序随机化,每组每个动作只做一次。结果表明,所有受试者使用纳米金柔性传感器的平均手势识别率均在 90％ 以上,且两种训练模式间无显著性差异(重复训练模式为 95.46%、随机训练模式为94.18%,P 值为 0.227 5)。这表明纳米金柔性传感器与湿电极一样,可以实现可靠的手势识别。