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能卷在血管上的压力传感器,弯曲时也能高精度测量
来源:赛斯维传感器网 发表于 2016/12/2


  在血管上卷绕极薄的传感器来测量血流速度。东京大学开发出了有助于实现这种体征传感的技术,那就是弯曲时也不会受到变形影响、可准确测量压力的柔性传感器。该校打算利用能够贴在柔软曲面上测量压力的优点,首先将其应用于对触诊时施加的压力进行定量化的“数字触诊”等用途。


  这项技术是东京大学研究生院工程学研究科的染谷隆夫教授和博士研究员李晟源(Sungwon LEE)等人的研究成果。研究小组此次开发出了即便以80μm的极小曲率半径弯曲也不会受到变形影响,能以业界最高灵敏度测量压力的柔性传感器。并已验证,该传感器可在像鼓起的气球一样的柔软曲面上准确测量压力分布。


  之所以能达到这种效果,是因为实现了厚度仅为3.4μm的极薄压力传感器。几乎不会受到弯曲后与传感器的厚度成正比发生的变形的影响。施加的压力在0~70Pa之间变化时,电阻值会发生两位数变化,压力在0~600Pa之间变化时,电阻值会发生6位数以上的变化,可通过电气方式读取这种电阻变化。施加压力时的响应时间仅为20ms,解除压力时为5ms。具有3000次以上的耐用性。


  运用碳纳米材料


  为了实现非常薄的压力传感器,研究小组进行了两点改进。第一是将聚酰亚胺基板的厚度减小至约1μm。


  第二是通过使用纳米纤维,实现了非常薄的电阻变化(压敏)材料。在橡胶材料中掺入碳纳米管和石墨烯,采用向尖尖的喷嘴施加高电压使其喷射液状材料的“静电纺丝法”(Electro Spinning),制成了纳米纤维。将这种纳米纤维束用作电阻变化材料。施加压力时,不仅纳米纤维中的碳纳米管和石墨烯的距离会靠近,而且纳米纤维之间的粘附度也会提高,因此电阻值会降低。


  可在柔软的曲面上测量压力分布


  研究小组将此次开发的压力传感器与有机晶体管的有源矩阵相结合,试制出了可在柔软的曲面上测量压力分布的多点压力传感器。并已证实,将其粘贴在气球表面时,即便气球大幅变形,也能高精度测量压力分布。


  可测量人工血管的“动脉血流”


  研究小组还将此次的传感器安装在用硅胶制成的人工血管的外壁上,测量了人工心脏装置产生的模拟的动脉血流的流速。这是根据压力的传递测量流速,由于此次开发的传感器具有很高的响应速度,因此可用于这种用途。据介绍,实验使用的人工血管是用于动物实验的血管,特性与真实血管几乎相同。


  为了使该传感器投入实用,还要解决一些课题,例如,要让在橡胶材料中均匀掺入碳纳米管和石墨烯的工艺支持量产。而且,目前使用的是需要很高压力的气流粉碎(Jet Milling)法,需要降低这种方法的压力。(记者:大下 淳一,《日经数字健康》)


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