最近，医疗自动化制造设备展Medtec中国展关注到柔性压力传感器(FPSs) 由于其模仿电子皮肤的能力和功能而引起了广泛关注。一些传感器利用生物结构的电介质层来实现高灵敏度和检测。然而，具有仿生结构的传统传感器由于其在中压范围内的高灵敏度和高滞后性，通常在高压场景下受到限制。灵敏度和滞后是描述压力传感器特性的几个参数中的两个协调参数。在以往的研究中，接触面积的变化机制和电子双层内离子电荷的积累的设计思路，结合微结构的离子层可以实现离子式压力传感器的高灵敏度和合适的滞后。微结构的缓慢反弹现象对于离子式压力传感器来说是不会遇到的。电容式压力传感器通过构建和调整其表面结构来提高灵敏度。这种传感器往往在小的压力范围内拥有高灵敏度。为了获得更高的灵敏度，电介质层被设计成有效的压缩，这可能会导致延迟回弹和高滞后。当检测快速加载压力时，这种类型的压力传感器不能胜任压力测量功能。为了解决这个问题，另一种基于多层微结构或其他硬多孔材料作为电介质层的压力传感器已经被开发，它表现出低滞后。然而，其灵敏度相对较小，因此难以监测人类活动中的细微动作。人类的身体活动多种多样，因此需要具有不同范围和灵敏度的传感器来彻底监测各种活动。除了上述缺点外，现有的压力传感器制造麻烦，使用昂贵的材料，这是限制其发展的主要原因。传统的微结构加工方法包括化学沉积、反转和光刻。在以前的方法中，倒置形式的3D打印模具非常受研究人员的欢迎，它具有制造简单、 重复性可靠等优点。 研究成果安徽大学Xiaohui Guo教授及湖北九峰山实验室Dandan Wang、中科院微电子研究所Guozhong Xing、华中科技大学Yunong Zhao教授等人提出了一种基于3D打印技术的可重新配置的跳蚤仿生结构FPS，它可以通过定制专用结构参数来满足不同场景的需求。FPS 表现出高灵敏度(1.005 kPa-1)、宽检测范围(200 kPa)、高重复性(6000次)、低滞后(1.3%)、 快速响应时间(40 ms)和极低的检测极限(0.5 Pa)。为了实现实际应用，FPS 被相应地放置在手指、肘部、手臂、颈部、脸颊和操纵器上，以检测各种身体部位的动作，这表明它具有很好的适用性。它还被整合成一个灵活的3×3传感器阵列，用于检测空间压力分布。结果表明，FPS 在先进的生物可穿戴技术中表现出巨大的应用潜力，如人体运动监测。相关研究以“Biologically Emulated Flexible Sensors With High Sensitivity and Low Hysteresis: Toward Electronic Skin to a Sense of Touch”为题发表在Small期刊上。 研究亮点1. 展示了一种基于仿生鱼介电层结构的高灵敏度和低滞后的电容式柔性压力传感器(FPS)， 用于柔性电子皮肤。2. FPS 表现出高灵敏度(1.005 kPa-1)、宽检测范围(200 kPa)、高重复性(6000次)、低滞后(1.3%)、 快速响应时间(40 ms)和极低的检测极限(0.5 Pa)。3. 通过将FPS分别安装在手指、肘部、手臂、颈部、脸颊和操纵器上，可以实现人体运动监测，显示了其在疾病诊断和监测等先进生物可穿戴技术方面的巨大应用潜力。

医疗自动化制造设备展Medtec中国展自2016年起布局医疗电子，从最初的电子部件、电机&传动控制展区到2021年首开的高端医疗设备设计与制造专区，目前已经有包括日立金属投资（中国）有限公司 、砷泰中国 、东莞市雨菲电子科技有限公司、上海孚蕊哲静电科技有限公司 、深圳市格兰拓普电子有限公司和杭州通鉴科技有限公司等多家企业入驻参展，2022.8.31-9.2上海世博展览馆1&2号馆开展。点击快速预登记。

图文导读

Figure 1. Flexible pressure sensor based on bionic flea structure.

Figure 2. FEA simulation results of the sensors with two arc， ring， bionic flea structures.

Figure 4. a) Effects of arc angle (θ) on the pressure sensitivity of FPS in 0–200 kPa (r = 3 mm， d = 3 mm， h = 1 mm). b) Effects of θ on the pressure sensitivity of FPS in 0–10 kPa. c) Effects of center distance (d) on the pressure sensitivity of FPS in 0–200 kPa (r = 3 mm， h = 1 mm， θ = 240°). d) Effects of d on the pressure sensitivity of FPS in 0–10 kPa.

Figure 5. Electrical and mechanical tests of FPS.

Figure 6. Response 6000 cycles of loading/releasing at 10 kPa.

Figure 7. a) Response 10 cycles of loading/releasing in 1.5/3/5/10/20/50/100/150/200 kPa. b) Response 10 cycles of loading/releasing in 0.625/1/2/3/4 Hz. c) Response in 10/20/30/40/50/60/70 °C. d) Comparison of the sensitivity of our pressure sensor with the other capacitive sensors that employ stable surface microstructures or planar structures.

总结与展望综上所述，作者展示了一种基于仿生跳蚤电介质层结构的高灵敏度、低滞后的电容式触觉传感器，用于柔性电子皮肤，利用3D打印技术可以很容易地构建。本文从真实的跳蚤腿的结构分析入手，，辅以有限元分析软件模拟，展示了仿生跳蚤结构的工作机制，并绘制了FPS在不同压力下的性能和灵活性。结构参数可以显著影响传感器的性能，结果与工作机制一致。在测量实验中表现出了优异的压力传感性能，特别是在不同压力范围内的高灵敏度和在中等压力范围内的低滞后性。响应信号的相应波形可以在随后的人体运动监测和操纵器测试中进行测量。阵列是用来测量力分布的，证实了FPS的可行性。结果表明，FPS 在先进的生物可穿戴技术、柔性机器人和人机交互方面具有巨大的应用潜力。

业内多家厂商在将在 医疗自动化制造设备展Medtec中国展上推出池保护的创新方案等最新医疗电子相关产品与解决方案。

来源：i学术i科研