Page 101 - 《精细化工》2020年第8期

第 8 期 张国睿，等: 基于十二烷基衣康酸甘油酯的光电双响应传感器 ·1599·

最大反射光波长变化曲线与电信号变化曲线如 了明显的对比，从而显示出了按压模型的具体形状。
图 3d 所示，随着压缩程度的增大，传感器的最大 这个功能是目前很多柔性传感器所做不到的。
反射光波长不断下降，电容变化量不断增加。为了
测试该传感器的稳定性，本文对其进行了循环性能
测试，结果如图 3e 所示。该压力传感器被施加了
100 次 0~60.9 kPa 的循环压力，从图中可看出，第
1、20、40、60、80 及 100 次的电容变化量曲线基
本重合，并且传感器的电容变化量始终维持在 44%
左右，说明该传感器的循环性能稳定且可靠。为了
能清楚地观察到循环压缩测试中电容的变化，本文
对图 3e 中的 100 次循环中的最后 5 次循环进行放
大，如图 3f 所示。在这 5 次循环中，传感器的电容
变化基本保持 44%左右，表现出很好的同步性和耐
久性。
2.4 传感器的应用性能测试
本文对该传感器进行一些实际应用探索。将传
感器分别固定在手指、膝盖、手腕以及手掌等关节
上，来检测关节的运动情况。当关节弯曲时，传感
器自身电容变化量会发生改变，同时配合传感器局
部颜色发生的变化效果，这样人眼不仅可以观察到
传感器的电容变化量，还可以清楚地观察到具体的
形变位置，结果如图 4a 所示。传感器初始状态为
红色，当手指弯曲时，其电容变化量和弯曲部位的
结构色会同步发生改变。从图中可知传感器的电容
变化量保持在 33%左右，弯曲前后基本保持一致，
具有较好的稳定性能和重复性能。从数码照片中可
以看出，当手指关节弯曲时，传感器局部的厚度受
到较大改变，使其中结构色水凝胶的最大反射波长
明显发生蓝移。在手指弯曲时，传感器对应手指关
节处的颜色已经变为绿色，与周围的红色形成了明
显的对比，非常清楚地反映出手指的弯曲情况。同
理如图 4b~图 4d 所示，当传感器检测膝盖、手腕以
及手掌等关节运动时，传感器在保证电学信号输出
的同时，其形变部位处的颜色同样会发生明显的蓝
移变化，使得人眼可以非常直观地观察到关节的运
动情况。
本文所设计的这种基于 DGI 的电容型传感器提
供了一种方便的途径去显示发生形变的形状和位
置，把自身的电学性能与结构色关联起来。为此，
本文专门制作了几个字母模型，分别为“D”、“L”、
“U”、“T”、“C”、“A”、“N”、“O”8 个字母。如

图 5a 和图 5b 所示，分别用这 8 个字母去按压传感 a—手指；b—膝盖；c—手腕；d—手掌关节
器，在检测传感器电容信号变化的同时去观察其结
图 4 传感器在关节运动时电容变化量与结构色变化图
构色的改变。由图可看出，传感器受到按压部位的 Fig. 4 Capacitance and structure color change of the
颜色发生了明显的蓝移现象，与其周围的颜色形成 sensor when monitoring joint motion