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柔性壓力傳感器是可穿戴設備中最重要的組件之一，其靈敏度、工作范圍和穩定性是影響傳感器性能的關(guān)鍵因素。已有研究證明，在柔性壓力傳感器中引入微結構可以有效地提高其傳感性能。不過(guò)，目前微結構薄膜在工藝和性能等方面仍存在一些挑戰，有必要開(kāi)發(fā)一種可以靈活改變微結構形狀、大小和間距的方法，以提高微結構的可調節性和準確性。

近日，西安建筑科技大學(xué)機電工程學(xué)院的研究人員提出一種基于微結構納米復合薄膜（MCNF）的超靈敏柔性壓力傳感器，在較寬的測量范圍內具有高靈敏度和穩定性，既能檢測微小壓力信號（手腕脈搏），也能檢測較大的壓力信號（手指按壓和鼠標點(diǎn)擊）。憑借其設計簡(jiǎn)單、成本低、一致性高等優(yōu)勢，該MCNF柔性壓力傳感器有望適用于各種可穿戴設備和潛在應用。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Micromachines期刊。

在本論文中，研究人員提出一種簡(jiǎn)單易復制的柔性壓力傳感器制造方法。首先，采用機械有限元法（FEM）研究了微觀(guān)結構尺寸參數對傳感器性能的影響，并對相關(guān)參數進(jìn)行了優(yōu)化。接著(zhù)，使用印刷電路板（PCB）基材模壓多壁碳納米管/聚氨酯（MWCNT/PU）導電復合材料制備出活性層。最后，通過(guò)將活性層和叉指電極相結合制備出MCNF柔性壓力傳感器。

MCNF柔性壓力傳感器的制備工藝

通過(guò)一系列對比試驗，研究人員驗證了該MCNF柔性壓力傳感器具有高機械穩定性和長(cháng)期耐用性。其可靠性歸因于板條微結構的結構穩定性、PU基板的機械柔性以及魯棒性。由于板條微結構的寬間距比越小，對應的MCNF柔性傳感器應變率越大，響應靈敏度越高，而MCNF接觸面積變化率越大，其變形越容易，壓阻響應越敏感。因此，在對MCNF施加壓力的過(guò)程中，其獨特的微結構能夠顯著(zhù)增加MCNF和叉指電極之間的接觸面積，從而有效提高傳感器的靈敏度。

MCNF柔性壓力傳感器的傳感性能。（a）有無(wú)微結構傳感器的壓力響應。

（b）相同MWCNT含量、不同微結構MCNF傳感器的壓力響應。

（c）垂直平行放置于電極的MCNF傳感器的壓力響應。

（d）對比文獻研究與本研究傳感器的敏感度和工作范圍。

MCNF柔性壓力傳感器的循環(huán)加載實(shí)驗結果：模型?A循環(huán)加載（a）0–1 N和（b）0-5 N；

（c）模型?A和（d）模型-E在0–10 kPa循環(huán)載荷下的壓阻響應曲線(xiàn)。

該MCNF柔性壓力傳感器具有良好的傳感性能，可用于檢測多種人類(lèi)活動(dòng)引起的壓力變化?；谄湓诘蛪汉椭袎悍秶鷥染哂谐錾木€(xiàn)性度和靈敏度，可用于實(shí)時(shí)檢測來(lái)自手腕動(dòng)脈的脈搏信號。此外，在檢測手指按壓和鼠標點(diǎn)擊等大壓力信號時(shí)，該傳感器也表現出高穩定性和靈活性。

MCNF柔性壓力傳感器在實(shí)時(shí)監測人體活動(dòng)中的應用：（a）手指按壓；

（b）鼠標點(diǎn)擊；（c）實(shí)時(shí)脈搏檢測；（d）脈搏振動(dòng)波形。

綜合而言，該MCNF柔性壓力傳感器具備高靈敏度、寬工作范圍和高靈活性，在微小壓力和大壓力檢測方面均具有顯著(zhù)優(yōu)勢，可有效用于人體生理實(shí)時(shí)監測。憑借其低成本、設計簡(jiǎn)單、一致性高等優(yōu)勢，該MCNF柔性壓力傳感器有望在可穿戴設備、人機界面等領(lǐng)域展現巨大的應用潛力。