外墙装饰保温一体板安装方法|苏洋建材

外墙装饰保温一体板安装方法

　　在诸如机器人、假肢、外科手术工具、生物传感器等新兴领域中，能够匹配曲面甚至表面可变形的软压力传感器的需求日益增加。不同的应用范围对应于不同的压力范围：1kPa以下的微压用于超灵敏的电子皮肤捕捉柔软的触摸或触诊心血管活动；而体内压力和与日常活动相关的压力则在1到10kPa之间的低压；血压监测设备的压力和体重的足底压力超过10kPa的高压。有时，微小的压力会叠加在高压载荷上。对于这些应用，就需要开发在大压力范围内具有高灵敏度的软压力传感器。为了提高电容式压力传感器的灵敏度，过去的研究主要集中在开发具有表面/多孔结构或更高介电常数的介电层上面。然而，这种策略只在提高低压范围（例如3kPa以内的）的灵敏度方面有效。因此，目前压力传感器层面上，孔隙率和介电常数的改进几乎达到了极限，急需要一种全新的策略来实现在宽压力范围内具有高灵敏度的电容式压力传感器。

　　PNC和HRPS的制作

　　PNC的制造工艺如图1a所示。在加入未固化的Ecoflex前后对羟基功能化的碳纳米管和氯仿溶液进行超声处理，以使碳纳米管均匀分散。然后进行对溶液进行加热和搅拌，蒸发氯仿，直到氯仿和Ecoflex的重量比达到10：1。然后使用650μm厚的泡沫镍作为PNC的模板(图1b)，将其浸泡在溶液混合物中，然后从溶液混合物中提取。之后将溶液包覆的泡沫镍在150°C加热30min，使氯仿完全蒸发，固化碳纳米管掺杂的Ecoflex纳米复合材料。然后，将样品浸泡在盐酸(HCl)中，以完全蚀刻掉镍。用蒸馏水冲洗剩下的PNC得到最终的PNC。另一方面，为了制备HRPS，一片PNC被两个柔性电极夹在中间，在PNC和电极的一侧之间添加了超薄的绝缘层，如图1d所示。电极层为金/聚酰亚胺(Au/PI)薄膜，绝缘层为厚度仅为500 nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜。多层包装在两个透明柔软的3M泰格德姆医用敷料之间。虽然PNC是导电的，但PMMA薄膜起到了绝缘层的作用，从而使整个压力传感器成为电容。为了防止短路，在用激光切割机对Au层的边缘进行轻微雕刻后，将PMMA转移到Au/PI上。包装之后的HRPS非常灵活，弯曲到半径可以达到1 mm，如图1f所示，估计的最小弯曲半径为271μm。

　　图1. PNC和复合响应压力传感器(HRPS)的制作。

　　HRPS 的表征和与其他电容式压力传感器的对比

　　图2a中的标称压力-应变曲线最能说明HRPS的软度。这种高度多孔的结构导致了强烈的非线性响应。HRPS在2kPa的压力下能够达到50%的压缩应变，这在爆炸图中很明显。低的初始压缩模量与微韧带的弹性弯曲和屈曲导致PNC单元塌陷有关的HRPS的高柔度是其高灵敏度的重要因素。另一方面，为了展示HRPS的优越性，本文用传统介质材料(未掺杂固体Ecoflex、未掺杂多孔Ecoflex、掺杂非导电固体复合材料和掺杂非导电PNC)制作了四种电容式压力传感器，如图3a所示。所有多孔材料均使用相同的泡沫镍模板制备。选择的四个介质层很好地代表了电容式压力传感器的最新研究进展，它们是增加气隙(固体Ecoflex与多孔Ecoflex)和提高介电常数(固体Ecoflex与非导电固体复合材料，多孔Ecoflex与非导电PNC)。本文比较了这四种传统电容式压力传感器与本文的HRPS的性能，其中HRPS使用了具有绝缘纳米膜的导电PNC。传统电容式压力传感器和HRPS的二维原理图如图3b所示。结果显示，固体明显比多孔材料更稳定，但是低浓度的碳纳米管对固体和多孔材料的力学性能都没有明显的影响。

　　图2.HRPS的机电特性

　　图3.HRPS与其他电容式压力传感器的对比。

　　HRPS的混合响应建模

　　为了对这种新的传感机理有一个定量的理解，本文用简化的等效电路对高分辨率压力传感器和传统的压力传感器进行了建模和比较。图4a-c中用一个带有开放空间并且作为空气的单个倾斜韧带来表示PNC。电容式压力传感器的等效电路取决于PNC的电学特性。当PNC韧带不导电且没有附加绝缘层时，电场简单地形成在由介质层隔开的两个平行电极之间(图4a)。对于具有弱导电新的PNC和附加绝缘层的HRPS，沿韧带方向有明显的电位下降，因此在顶部电极和韧带之间仍有电位下降(图4b)。对于具有更高导电性的PNC的HRPS，韧带中的电位降变得可以忽略不计，因此在顶部电极和韧带之间不再有电位降。换句话说，电场只存在于韧带和底部电极之间，如图4c所示。在这种情况下，由于一些气隙不再位于电场内，因此压力灵敏度可能会受到影响。另一方面，只要指定HRPS的几何形状、孔隙率、绝缘材料和测量频率，就可以使用公式(6)轻易地计算出PNC的最佳电阻。

　　图4.带非导通PNC的HRPS和传统电容式压力传感器的解析建模

　　图5.HRPS的演示。

　　小结：尽管电容式压力传感器已经具备了超高灵敏度，但随着压力的增加，灵敏度下降是一个众所周知且长期存在的挑战。在这项研究中，介绍了一种新型的柔性电容式压力传感器，它在很宽的压力范围内都有很高的灵敏度。通过在两个平行电极之间夹有导电和高度多孔的纳米复合材料和外墙装饰保温一体板安装方法超薄的固体绝缘层，本文的电容式压力传感器得益于PNC的压阻和压电容组合响应。通过调节碳纳米管掺杂，本文的HRPS达到了最佳PNC电阻可控的灵敏度。本文通过检测不同预载荷下细微的压力变化来证明HRPS的敏感性。即使当HRPS被VR耳机覆盖时，我们也能够通过皮肤安装的压力传感器获得一次无创测量。除了脉搏波形传感，本文的软HRPS还有望在假肢、触觉传感以及外科或软机器人的电子皮肤方面有许多其他潜在的应用。

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