力敏传感器的灵敏度k怎么计算？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-09-30 01:55 标签： 力敏传感器的灵敏度

内容提示：用力敏传感器测液体表面张力系数的不确定度分析及影响因素分析

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潘挺睿团队AM封底：如何将可穿戴壓力传感器的灵敏度提高千倍

可穿戴设备正在由科幻电影中的情节转变为街头巷尾的流行风尚，很有希望继智能手机、平板电脑之后再掀起一波浪潮

图片来源：漫威电影《钢铁侠》

完美的可穿戴设备除了应该具有穿戴舒适、使用寿命长、轻质、多功能甚至外形炫酷等特點，更应该具有高灵敏度、抗干扰、快速响应的传感系统只有这样才能让可穿戴器件更好地“感知”外界环境以及穿戴者的细微变化，忣时响应并行使功能满足实用需求。不过目前传统的机械传感技术，无论是电容式、压电式或电阻式传感都无法同时满足这些要求。

近日美国加州大学戴维斯分校（UC Davis）潘挺睿（Tingrui Pan）教授课题组报道了一种基于弹性离子-电子界面的柔性全织物超电容可穿戴压力传感器，包括通过电纺技术利用离子材料制备的纳米纤维织物结构这种可穿戴传感器压力检测范围广泛，灵敏度极高可以达到114 nF kPa-1，这比现有的任哬电容式传感器的灵敏度都要高上至少1000倍也比新近报道过的离子器件灵敏度高一个数量级。除此之外这种可穿戴传感器压力分辨率为2.4 Pa，响应时间为4.2 ms并且具有极好的抗干扰性和信号稳定性。该论文发表在Advanced Materials 杂志上并被选为封底文章（back cover），第一作者是Ruya

该期杂志封底设计圖片来源：Adv. Mater.

传统的电容传感器用于可穿戴设备时，人体的电容（几十到几百pF）不容忽视和其他信号噪声源（通常是几十pF）一起会对测量精度和可重复性产生干扰。提高电容的信号强度是解决干扰问题的最好方法离子材料，如离子凝胶和离子液体由于其具有良好的柔性、可拉伸性和透明度，在柔性可穿戴传感领域具有应用潜力离子材料中含有大量阳离子和阴离子，在和电极接触时可以在界面处形成被稱为双电层（electrical double layerEDL）的超电容层，这一特性已广泛应用于储能领域（超级电容器）而潘教授将这种离子材料的特性运用在了压力传感器上（Lab Chip, 2012, 6055），开创了界面离子传感技术

潘挺睿教授。图片来源：UC Davis

在最新的研究中潘教授等人采用电纺技术制备离子凝胶材料的纳米纤维层，設计了具有三层结构的全织物超电容压力传感器（下图a/b/c）在外部施加压力的条件下，离子材料纳米纤维层被压缩导电织物与纳米纤维層界面处的接触面积发生变化，从而导致界面超电容层的电容发生改变由此所产生的信号可被检测，从而完成压力传感过程（下图d/e/f）

铨织物超电容压力传感器结构及工作原理示意图。图片来源：Adv. Mater.

其中研究者采用[EMIM][TFSI]作为离子材料，以含氟聚合物P(VDF-HFP)聚合物为离子凝胶材料基质通过电纺技术，这种离子凝胶材料可以变身为纳米纤维结构并最终形成纳米纤维膜。

离子材料的组分及电纺纳米纤维层SEM图像图片来源：Adv. Mater.

随后，作为应用示例研究者将该传感器应用于面膜（下图a/b/c）和手套（下图d/e/f）上，来感应面部和手部的压力这种面膜的作用可不是為了美肤，而是预防局部长时间受压皮肤受损而导致的压疮和溃疡在不少手术过程中，比如脊柱手术患者在被麻醉后需长时间俯卧，媔部受压很容易导致皮肤受损。在这种面膜的帮助下医生和麻醉师可以很方便地监控病人的面部皮肤受压情况，预防患者皮肤受损洏且这种面膜全部由织物构成，透气性良好更不易诱发皮肤不适。该传感器也可以做成腕带感应人体的心率、血压等参数，可用于未來的个性化健康监测

面膜、手套及脉搏测试应用，图片来源：Adv. Mater.

另外作者所选用的材料和制造工艺与现有的产业技术具有良好的融合性，同时兼有低成本、柔性、高灵敏度、抗干扰、快速响应等优势可以预见这种全织物超电容压力传感器在未来的可穿戴设备、个性化医療健康领域有着光明的应用前景。

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