香港中文大學《Advanced Science》| 全3D打印軟電容傳感器

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香港中文大學朱建教授團隊在《Advanced Science》期刊上發(fā)表文章“Fully 3D-Printed Soft Capacitive Sensor of High Toughness and Large Measurement Range”。軟電容傳感器因其高靈敏度而廣泛應用于可穿戴設備、柔性電子產品和軟機器人等領域。然而，由于它們的界面韌性低，可能會發(fā)生分層或脫粘。此外，由于剛度變化范圍有限，它們通常表現(xiàn)出較小的測量范圍。該研究利用定制的多材料3D打印機開發(fā)了軟硅基電容式傳感器。通過同時固化有機硅材料，連續(xù)導電層和介電層獲得了1036 J·m−2的界面韌性。采用傾斜薄板介質的傳感器在橫向和縱向上的界面韌性分別為645 J·m−2和339 J·m−2。此外，傳感器的測量范圍從0.85 Pa到5000 kPa。分離的傾斜薄板電介質的顯著剛度變化促進了這一擴展范圍，范圍從0.56 kPa到19.76 MPa。因此，采用3D打印技術制造軟微結構傳感器是一種通用的方法，不僅適用于提高軟傳感器的性能，而且有利于設計強大的軟功能器件。

WHAT-什么是軟電容傳感器？
軟電容式傳感器通常由夾在柔性電極之間的軟介電層組成，是一種基于電容變化原理的傳感器，主要用于感知壓力、觸摸、應變等物理信號。與傳統(tǒng)硬質傳感器不同，軟電容傳感器使用柔性材料（如導電聚合物、金屬納米線、碳納米管等）作為電極或電介質，使其具備更好的柔性和可變形能力。這些傳感器通過利用其可變形的材料和結構來檢測施加的壓力或力。由于其有趣的屬性，包括良好的可重復性，低功耗，、功耗低、空間分辨率高和信號漂移小等優(yōu)點，因此在可穿戴設備、人機界面、柔性電子設備、軟機器人等領域有著廣泛的應用。

WHY-基于3D打印技術在制備軟電容傳感器上的優(yōu)勢是什么？
采用3D打印技術在構建軟電容傳感器上的優(yōu)勢包括：1）高度自由的設計與制造：能夠通過數(shù)字化建模實現(xiàn)復雜幾何結構的制造，包括多層、多孔、或梯度分布的結構；2）材料的多樣性和功能集成：支持多種柔性材料（如導電油墨、柔性聚合物、液態(tài)金屬等）的精確打印，且可以將不同的材料與復雜的結構和強附著力結合在一起；3）可以實現(xiàn)微米甚至納米級的精度，使軟電容傳感器的關鍵部件（如介電層厚度、電極間距）達到精確控制。
HOW-如何實現(xiàn)全3D打印軟電容傳感器？

圖1 全3D打印軟電容式傳感器，韌性強，測量范圍大

該研究開發(fā)了一種定制的3D打印技術，用于制造軟電容傳感器，并通過優(yōu)化材料和結構設計提升其性能（圖1a）。該傳感器采用了創(chuàng)新的設計：介電硅膠被傾斜排列形成薄板結構，夾在兩層平面導電硅膠之間（圖1b–d）。與傳統(tǒng)軟傳感器常見的分層和脫粘問題不同，這種新型傳感器能夠有效避免這些缺陷，其導電和介電硅膠材料具有相似的剛度，從而增強了傳感器的可靠性。在3D打印過程中，導電和介電硅膠墨水保持未固化狀態(tài)，有助于在電極和介電層之間形成強大的分子網絡和化學鍵，使得傳感器即使在扭曲或受壓時，也能抵抗分層和脫粘（圖1f-g）。

實驗表明，導電硅膠和介電硅膠的楊氏模量分別為840 kPa和580 kPa，界面韌性高達1039 J·m⁻²（圖1h）。此外，傳感器還具備從0.85 Pa到5000 kPa的廣泛測量范圍（圖1i），適用于各種實際應用。最后，還展示了完全3D打印的智能鞋墊以及軟體機器人手（圖1j-k），為機器人和可穿戴設備的開發(fā)提供了新的思路和可能。

圖2 可打印油墨的流變特性和全三維打印軟傳感器的界面特性

隨后，作者研究了用于3D打印軟電容傳感器的介電和電極硅膠墨水的特性及其打印效果。流變測試結果表明，所選用的墨水保證了打印形狀的穩(wěn)定性，并能在固化過程中承受自重并保持結構完整性（圖2a-b）。此外，通過優(yōu)化打印參數(shù)，實現(xiàn)了均勻且連續(xù)的墨水擠出（圖2c），并且能夠在不使用支撐材料的情況下直接打印自支撐的傾斜薄板結構。研究表明，介電和導電硅膠的楊氏模量分別為840 kPa和580 kPa，且兩者均具有超過350%的斷裂伸長率（圖2d）。隨后，通過三種類型的剝離測試，詳細分析了3D打印軟傳感器的界面性能（圖2e）。

結果顯示，連續(xù)打印的導電硅膠電極層（EL）之間的界面韌性為825 J·m−2，而介電硅膠層（DL）之間的界面韌性更高，為1365 J·m−2，表明DL層的界面粘結強度更強。此外，3D打印的EL和DL層組合的界面韌性為1039 J·m−2，顯著高于傳統(tǒng)鑄模法粘接的層（129 J·m−2）。這種提升表明，3D打印過程中未固化的導電和介電硅膠形成的分子網絡和化學鍵提高了界面韌性。為了增強靈敏度，采用多個分離的傾斜薄板介電層，導致傳感器在橫向和縱向表現(xiàn)出不同的界面韌性，分別為645 J·m−2和339 J·m−2（圖2f-i）。橫向剝離力呈現(xiàn)鋸齒狀變化，歸因于傾斜薄板的能量耗散特性。這種設計增強了界面韌性，提升了傳感器的整體性能和穩(wěn)定性。

圖3 全3D打印軟傳感器大檢測范圍

接著，作者研究了具有多個分離傾斜薄板介電層的軟傳感器的壓敏性能（圖3a）。通過改變傾斜角度（α）、水平間距（d）和薄壁厚度（t）等結構參數(shù)，優(yōu)化了傳感器設計。實驗結果表明，相較于固體電介質傳感器，具有分離薄板介電層的傳感器表現(xiàn)出更高的靈敏度，特別是α=45°、d=1.5 mm、t=0.2 mm時，靈敏度最高。進一步分析表明，傳感器的壓縮應力-應變曲線表現(xiàn)出在不同應變范圍內的可變剛度（圖3b）。在小應變范圍內，傳感器能夠感知0.85 Pa的微小壓力，而固體電介質傳感器的檢測限為200 Pa。

薄板介電層的存在使得傳感器具有較低的壓縮模量，并且在較大應變下，模量顯著增大，能夠承受更大的壓力（圖3d-f）。該結構提供了在小應變范圍內高靈敏度，在大應變范圍內較大測量范圍的優(yōu)勢。進一步實驗驗證了傳感器在高壓下的穩(wěn)定性。圖3g-h顯示，傳感器能夠在5000 kPa的壓力下穩(wěn)定工作，并在周期性壓力下表現(xiàn)出穩(wěn)定響應。此外，傳感器具有高分辨率，能夠檢測到小幅度的壓力變化，且在20,000次循環(huán)測試中沒有明顯的信號變化（圖3i）。與其他軟電容傳感器相比，本文傳感器的檢測范圍更廣，能夠覆蓋從0.85 Pa到5000 kPa的壓力范圍（圖3j）。

圖4 由軟壓力傳感器組成的全3D打印鞋墊

作者展示了一種完全3D打印的個性化鞋墊，用于實時壓力監(jiān)測，并具有出色的耐久性，可承受10,000個循環(huán)。圖4a展示了該鞋墊的設計，每個傳感器包括底部電極、多層分離的傾斜薄板介電層和頂部電極。傳感器被布置在前腳掌、中足和腳跟區(qū)域，組成一個16傳感器陣列（圖4b）。將鞋墊放入鞋中后，通過電容數(shù)字轉換器和多路復用器測量每個傳感器的電容，結果顯示所有傳感器表現(xiàn)一致，確保了精確的壓力監(jiān)測（圖4c-d）。在動態(tài)實驗中，傳感器鞋墊成功記錄了步態(tài)周期中的不同壓力變化，如腳跟、前腳掌和腳跟著地的壓力變化（圖4f-n）。

這些數(shù)據(jù)能夠用于足部姿勢分析，并生成相應的壓力熱圖，有助于生物力學研究，發(fā)現(xiàn)異常壓力區(qū)域，設計針對性的干預措施。此外，在反復的復雜摩擦測試中，傳感器仍能保持穩(wěn)定信號輸出。即便在160 kPa的正常壓力和50 kPa的剪切力作用下，傳感器經過10,000個循環(huán)后，電容變化幾乎沒有變化（圖4o-p）。3D打印的鞋墊在極端條件下表現(xiàn)出卓越的耐久性和穩(wěn)定性，得益于電介質和導電硅膠之間較大的界面韌性。

圖5 結合軟致動器和軟傳感器的全3D打印軟機器人手

最后，作者開發(fā)了一種完全3D打印的軟體機器人手，通過軟氣動驅動器和軟傳感器實現(xiàn)精確控制（圖5a）。每根手指包含軟氣動執(zhí)行器、電容觸覺傳感器和電阻彎曲傳感器，采用介電和導電硅膠材料，在一步打印過程中完成，無需后處理。優(yōu)化的打印參數(shù)確保了手指的結構一致性，并避免了導電與介電材料的相互干擾（圖5b-d）。觸覺傳感器獨立于彎曲傳感器工作，可測量指尖的接觸力，而彎曲傳感器檢測手指的彎曲（圖5e）。結合觸覺傳感器，軟體機器人手可以實現(xiàn)實時閉環(huán)反饋控制，精確控制抓取力（圖5f-g）。此外，軟彎曲傳感器還可用于在虛擬現(xiàn)實中模擬手指的動作，提供精準的手勢模擬，廣泛應用于醫(yī)療訓練、元宇宙及人機交互中（圖5h-i）。

結論：綜上所述，該研究開發(fā)了一種定制的多材料3D打印機，可在單次打印中制造軟性硅膠電容傳感器。這些傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的界面韌性和伸展性，且具有寬廣的測量范圍（0.85 Pa-5000 kPa）。展示了兩種應用：一是嵌入傳感器陣列的智能個性化鞋墊，能實時監(jiān)測足底壓力分布，且耐用性超過10,000個循環(huán)；二是結合軟性驅動器和傳感器的3D打印機器人手，能夠執(zhí)行反饋控制、姿態(tài)識別和物體抓取。因此，所開發(fā)的3D打印軟傳感器的策略不僅提升了軟傳感器的性能，還促進了堅固軟功能設備的設計，增強了軟體機器人在復雜環(huán)境中的執(zhí)行能力。

文章來源：https://doi.org/10.1002/advs.202410284