近些年，柔性傳感技術在人體生理信號監測、柔性機器人、可穿戴電子設備等方面展現出巨大的應用潛力，受到研究界廣泛關注。目前大多數柔性傳感器都基于納米材料，制備工藝復雜，極大地限制了柔性傳感器的應用。在柔性傳感器的性能和成本之間找到平衡，是未來柔性電子研究的關鍵趨勢之一。
據麥姆斯咨詢報道，近日，來自清華大學精密儀器系、北京科技大學材料科學與工程學院、煙臺大學機電汽車工程學院等機構的研究人員共同提出一種基于折疊結構的紙基自感式位移傳感器（PSIFS），不僅經濟、環保，且具有高靈敏度、低誤差、高分辨率和寬測量范圍等優點，可用于檢測角度、壓力、人體呼吸信號和運動信號。該研究提出的簡易紙基傳感器以及提高靈敏度的折疊方法和結構設計模型，為柔性傳感器的研究提供了新的思路。相關研究成果已發表于npj Flexible Electronics期刊。
PSIFS結構、原理、特點及應用
PSIFS采用紙質材料和銅線作為基底和線圈層，無需復雜的制造工藝即可實現。研究人員基于平面電感線圈三維變形引起電感變化的傳感機理，以及在靈敏度和尺寸兩個維度下的結構設計原則，提出了提高靈敏度的折疊方法，一次折疊可使其靈敏度提高3倍。該傳感器的成本極低，1美元即可制造數千個傳感器。雖然成本低，但PSIFS具有靈敏度高、誤差小、分辨率高、測量范圍寬等優點，在0~43.2 mm全量程下的平均靈敏度可達4.44% mm?1，最小位移分辨率可達20 μm，具有較小的遲滯（2.4%）和較短的響應時間（<100 ms）。
PSIFS性能測試
PSIFS在監測人體呼吸方面具備應用潛力。作為一種可穿戴式傳感器，PSIFS可以集成在口罩中，用于監測人們呼吸頻率和振幅，不同的呼吸方式，包括屏氣、微弱呼吸、正常呼吸、深呼吸和呼吸短促，都能清晰地識別出來。由于紙質材料和銅線圈對人類和環境都是無害的，人們可以長期佩戴PSIFS用于監測呼吸狀態。
除了監測人體呼吸外，PSIFS還可用于監測人體運動，包括測量手指、腕關節、肘關節、肩關節和膝關節等運動信號，無論在人體正常運動還是快速運動中均能達到較高的分辨率。
PSIFS在人體呼吸監測中的應用
PSIFS在人體運動監測中的應用
總體而言，研究人員利用紙質材料的折疊結構，設計出一種高性能、低成本的自感式位移傳感器，可適用于多種人體監測應用。該研究成果及研究策略有望為柔性傳感器的研究開辟新的路徑。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41528-022-00198-0
延伸閱讀：
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2021版》
《可穿戴技術及市場-2021版》
《醫療柔性電子技術及市場趨勢-2020版》
