利用PDMS泡沫和功能化纺织品制造大面积柔性电容式压力传感器及其性能表征

《IEEE Journal on Flexible Electronics》：Fabrication and Characterization of Large Area Flexible Capacitive Pressure Sensors Using PDMS Foam and Functionalized Textile

基于PDMS泡沫薄膜和聚吡咯涂层的柔性电容式压力传感器，通过乙醇混合PDMS casting工艺制备多孔介质，采用化学氧化聚合方法合成大面积导电棉织物电极，形成上下平行电极结构。该传感器具有低滞后（<5%）、高重复性（>99%）和快速响应特性，成功应用于鼠标点击和杯子抓取场景，适用于可穿戴设备、软体机器人及人机交互领域。

　　

摘要：

柔性电容式压力传感器具有简单的传感结构、零温度漂移、线性响应和高灵敏度，因此在人类医疗保健领域有广泛的应用，包括软体机器人和外科手术机器人、人机交互（HMI）以及可穿戴设备。在本文中，我们介绍了一种高度可压缩的多层柔性电容式压力传感器，该传感器以空气/蒸汽泡诱导的聚二甲基硅氧烷（PDMS）泡沫薄膜作为电介质，以聚吡咯（Ppy）涂层的棉纺织品作为电极。我们采用原位化学氧化聚合方法制备了导电的大面积Ppy涂层棉纺织品，并将其作为气泡诱导PDMS泡沫的上下电极。气泡诱导的PDMS薄膜是通过将PDMS与特定量的乙醇混合后浇铸而成的。然后利用硅胶粘合剂将上下棉纺织品电极固定在PDMS薄膜上。传感器测试结果显示其具有低迟滞、高重复性和良好的阶跃响应特性。同时，我们还对气泡进行了表征，包括使用表面轮廓仪和扫描电子显微镜（SEM）进行分析。我们展示了该传感器的两个应用实例：鼠标点击操作和杯子抓取。该传感器可以制造成不同的形状和尺寸，适用于各种自由形态电子产品的应用，如软体机器人、外科手术机器人、可穿戴设备、生物医学以及人机交互领域。

引言

不同相（固体、液体和气体）内部的分子相互作用决定了溶液中粒子的行为、化学反应以及多相系统的性质。这些相互作用产生了各种材料的微观结构，从而影响了它们的机械和化学特性，为设计具有不同功能特性的传感结构提供了可能[1]。这些相互作用使得材料具有多样的微观结构，定义了它们的机械和化学特性，并为开发具有特定功能的传感结构创造了条件。基于纺织材料的传感器具有制造简便、成本低廉、信号采集容易、灵敏度高、响应时间快、能效高、稳定性好和重复性佳等优点，并且在自由形态电子产品的测试中表现优异。然而，纱线位置的变化以及细纱在机械变形过程中的刚性降低会不利地影响传感器的性能，导致动态范围小、迟滞现象以及性能下降[2]。为了解决这些问题，我们在传感器制造过程中采用了多种性能优化策略。这些传感器的空间分辨率完全取决于制造方法和纺织材料的选择。纺织结构中较高的纱线密度和交织区域可以提高机械变形的灵敏度，从而改善自由形态运动下的传感性能。因此，了解纺织材料在外部刺激下的行为有助于提高其宏观机械性能，而对微观特性的研究则有助于开发出具有多种传感功能的纺织产品[3]。