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含碳泡沫材料塑造超靈敏壓力傳感器 助力醫(yī)療設(shè)備
2019-04-16 10:38:47中國(guó)化工信息網(wǎng)閱讀量：2332 我要評(píng)論
【化工機(jī)械設(shè)備網(wǎng) 新品動(dòng)態(tài)】 據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心(CNRS)的研究小組利用非常簡(jiǎn)單的工藝步驟和廉價(jià)的材料，設(shè)計(jì)出了一種薄電容式傳感器，這種傳感器由具有超高壓力靈敏度的含碳彈性泡沫材料制作而成。
該研究團(tuán)隊(duì)在自然合作期刊(Nature Partner Journals, npj)《npj-柔性電子》上發(fā)表了一篇題為“Polymeric foams for flexible and highly sensitive low-pressure capacitive sensors”的論文，文中詳細(xì)介紹了這種由復(fù)合泡沫材料構(gòu)成的電容式傳感器，該泡沫材料的閉氣孔被導(dǎo)電炭黑顆粒所覆蓋。研究人員采用油包水乳液法，將由炭黑(CB)液滴組成的水基乳狀液分散到固化前的PDMS基體中。固化聚合物后再完成水蒸發(fā)，就會(huì)形成一種彈性體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的球形空隙上覆蓋著炭黑顆粒。然后將復(fù)合泡沫夾在頂部和底部?jī)蓷l導(dǎo)電柔性碳帶電極之間，以形成一種三明治結(jié)構(gòu)，獲得完整的電容式傳感器。
通過試驗(yàn)不同的炭黑濃度、分散濃度和材料厚度，研究人員發(fā)現(xiàn)，在1.2mm薄的復(fù)合泡沫層中加入10wt %的炭黑，可獲得優(yōu)異的靈敏度。論文中顯示，0 ~ 0.2kPa范圍內(nèi)的壓力靈敏度為35.1kPa1，0.2 ~ 1.5kPa范圍內(nèi)的壓力靈敏度為6.6kPa1。
此外，該材料具有高電容(超過100pF)，可在無需任何信號(hào)放大的情況下，輕易地使用低成本電子設(shè)備來測(cè)量。只需1v的偏壓即可記錄器件的電容響應(yīng)，且由于材料電阻率較高，該傳感器在1kPa壓力傳感下能耗只需約100nW(顯示10MΩ電阻)。研究人員稱，這比傳統(tǒng)的硅壓阻式壓力傳感器效率高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
將這種電容式壓力傳感器安裝在受試者手腕上，可記錄動(dòng)脈脈搏的壓力變化，提供實(shí)時(shí)且原位的電容讀數(shù)
研究者預(yù)計(jì)，這種超靈敏傳感器可被設(shè)計(jì)為一種簡(jiǎn)單的貼片來監(jiān)測(cè)血壓，通過記錄動(dòng)脈脈搏波(如電容信號(hào))并使用基于人工智能(AI)的算法將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的壓力值。
這種復(fù)合材料也可用于設(shè)計(jì)機(jī)器人的壓敏人造皮膚。論文中提到了一種特殊醫(yī)學(xué)應(yīng)用，可利用機(jī)器人“觸診”軟組織器官，來檢測(cè)軟組織中的嵌入式結(jié)節(jié)。研究者指出，毫米級(jí)結(jié)節(jié)的硬度變化低于0.1kPa，這就需要像論文中所示的高度靈敏傳感器。
原標(biāo)題：含碳泡沫材料塑造超靈敏壓力傳感器 助力醫(yī)療可穿戴設(shè)備
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