近些年，柔性传感技术在人体生理信号监测、柔性机器人、可穿戴电子设备等方面展现出巨大的应用潜力，受到研究界广泛关注。目前大多数柔性传感器都基于纳米材料，制备工艺复杂，极大地限制了柔性传感器的应用。在柔性传感器的性能和成本之间找到平衡，是未来柔性电子研究的关键趋势之一。
据麦姆斯咨询报道，近日，来自清华大学精密仪器系、北京科技大学材料科学与工程学院、烟台大学机电汽车工程学院等机构的研究人员共同提出一种基于折叠结构的纸基自感式位移传感器（PSIFS），不仅经济、环保，且具有高灵敏度、低误差、高分辨率和宽测量范围等优点，可用于检测角度、压力、人体呼吸信号和运动信号。该研究提出的简易纸基传感器以及提高灵敏度的折叠方法和结构设计模型，为柔性传感器的研究提供了新的思路。相关研究成果已发表于npj Flexible Electronics期刊。
PSIFS结构、原理、特点及应用
PSIFS采用纸质材料和铜线作为基底和线圈层，无需复杂的制造工艺即可实现。研究人员基于平面电感线圈三维变形引起电感变化的传感机理，以及在灵敏度和尺寸两个维度下的结构设计原则，提出了提高灵敏度的折叠方法，一次折叠可使其灵敏度提高3倍。该传感器的成本极低，1美元即可制造数千个传感器。虽然成本低，但PSIFS具有灵敏度高、误差小、分辨率高、测量范围宽等优点，在0~43.2 mm全量程下的平均灵敏度可达4.44% mm⁻¹，最小位移分辨率可达20 μm，具有较小的迟滞（2.4%）和较短的响应时间（<100 ms）。
PSIFS性能测试
PSIFS在监测人体呼吸方面具备应用潜力。作为一种可穿戴式传感器，PSIFS可以集成在口罩中，用于监测人们呼吸频率和振幅，不同的呼吸方式，包括屏气、微弱呼吸、正常呼吸、深呼吸和呼吸短促，都能清晰地识别出来。由于纸质材料和铜线圈对人类和环境都是无害的，人们可以长期佩戴PSIFS用于监测呼吸状态。
除了监测人体呼吸外，PSIFS还可用于监测人体运动，包括测量手指、腕关节、肘关节、肩关节和膝关节等运动信号，无论在人体正常运动还是快速运动中均能达到较高的分辨率。
PSIFS在人体呼吸监测中的应用
PSIFS在人体运动监测中的应用
总体而言，研究人员利用纸质材料的折叠结构，设计出一种高性能、低成本的自感式位移传感器，可适用于多种人体监测应用。该研究成果及研究策略有望为柔性传感器的研究开辟新的路径。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41528-022-00198-0
延伸阅读：
《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》
《可穿戴技术及市场-2021版》
《医疗柔性电子技术及市场趋势-2020版》
