香港中文大學(xué)《Advanced Science》| 全3D打印軟電容傳感器

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香港中文大學(xué)朱建教授團(tuán)隊(duì)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(yīng)用于可穿戴設(shè)備、柔性電子產(chǎn)品和軟機(jī)器人等領(lǐng)域。然而，由于它們的界面韌性低，可能會(huì)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(cè)量范圍。該研究利用定制的多材料3D打印機(jī)開(kāi)發(fā)了軟硅基電容式傳感器。通過(guò)同時(shí)固化有機(jī)硅材料，連續(xù)導(dǎo)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(zhì)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(cè)量范圍從0.85 Pa到5000 kPa。分離的傾斜薄板電介質(zhì)的顯著剛度變化促進(jìn)了這一擴(kuò)展范圍，范圍從0.56 kPa到19.76 MPa。因此，采用3D打印技術(shù)制造軟微結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)強(qiáng)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(yīng)變等物理信號(hào)。與傳統(tǒng)硬質(zhì)傳感器不同，軟電容傳感器使用柔性材料（如導(dǎo)電聚合物、金屬納米線(xiàn)、碳納米管等）作為電極或電介質(zhì)，使其具備更好的柔性和可變形能力。這些傳感器通過(guò)利用其可變形的材料和結(jié)構(gòu)來(lái)檢測(cè)施加的壓力或力。由于其有趣的屬性，包括良好的可重復(fù)性，低功耗，、功耗低、空間分辨率高和信號(hào)漂移小等優(yōu)點(diǎn)，因此在可穿戴設(shè)備、人機(jī)界面、柔性電子設(shè)備、軟機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

WHY-基于3D打印技術(shù)在制備軟電容傳感器上的優(yōu)勢(shì)是什么？
采用3D打印技術(shù)在構(gòu)建軟電容傳感器上的優(yōu)勢(shì)包括：1）高度自由的設(shè)計(jì)與制造：能夠通過(guò)數(shù)字化建模實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制造，包括多層、多孔、或梯度分布的結(jié)構(gòu)；2）材料的多樣性和功能集成：支持多種柔性材料（如導(dǎo)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)附著力結(jié)合在一起；3）可以實(shí)現(xiàn)微米甚至納米級(jí)的精度，使軟電容傳感器的關(guān)鍵部件（如介電層厚度、電極間距）達(dá)到精確控制。
HOW-如何實(shí)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(qiáng)，測(cè)量范圍大

該研究開(kāi)發(fā)了一種定制的3D打印技術(shù)，用于制造軟電容傳感器，并通過(guò)優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提升其性能（圖1a）。該傳感器采用了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)：介電硅膠被傾斜排列形成薄板結(jié)構(gòu)，夾在兩層平面導(dǎo)電硅膠之間（圖1b–d）。與傳統(tǒng)軟傳感器常見(jiàn)的分層和脫粘問(wèn)題不同，這種新型傳感器能夠有效避免這些缺陷，其導(dǎo)電和介電硅膠材料具有相似的剛度，從而增強(qiáng)了傳感器的可靠性。在3D打印過(guò)程中，導(dǎo)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(qiáng)大的分子網(wǎng)絡(luò)和化學(xué)鍵，使得傳感器即使在扭曲或受壓時(shí)，也能抵抗分層和脫粘（圖1f-g）。

實(shí)驗(yàn)表明，導(dǎo)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(dá)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(cè)量范圍（圖1i），適用于各種實(shí)際應(yīng)用。最后，還展示了完全3D打印的智能鞋墊以及軟體機(jī)器人手（圖1j-k），為機(jī)器人和可穿戴設(shè)備的開(kāi)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(cè)試結(jié)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(guò)程中承受自重并保持結(jié)構(gòu)完整性（圖2a-b）。此外，通過(guò)優(yōu)化打印參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了均勻且連續(xù)的墨水?dāng)D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(jié)構(gòu)。研究表明，介電和導(dǎo)電硅膠的楊氏模量分別為840 kPa和580 kPa，且兩者均具有超過(guò)350%的斷裂伸長(zhǎng)率（圖2d）。隨后，通過(guò)三種類(lèi)型的剝離測(cè)試，詳細(xì)分析了3D打印軟傳感器的界面性能（圖2e）。

結(jié)果顯示，連續(xù)打印的導(dǎo)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(jié)強(qiáng)度更強(qiáng)。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(guò)程中未固化的導(dǎo)電和介電硅膠形成的分子網(wǎng)絡(luò)和化學(xué)鍵提高了界面韌性。為了增強(qiáng)靈敏度，采用多個(gè)分離的傾斜薄板介電層，導(dǎo)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(shè)計(jì)增強(qiáng)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(cè)范圍

接著，作者研究了具有多個(gè)分離傾斜薄板介電層的軟傳感器的壓敏性能（圖3a）。通過(guò)改變傾斜角度（α）、水平間距（d）和薄壁厚度（t）等結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化了傳感器設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于固體電介質(zhì)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(shí)，靈敏度最高。進(jìn)一步分析表明，傳感器的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)表現(xiàn)出在不同應(yīng)變范圍內(nèi)的可變剛度（圖3b）。在小應(yīng)變范圍內(nèi)，傳感器能夠感知0.85 Pa的微小壓力，而固體電介質(zhì)傳感器的檢測(cè)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(yīng)變下，模量顯著增大，能夠承受更大的壓力（圖3d-f）。該結(jié)構(gòu)提供了在小應(yīng)變范圍內(nèi)高靈敏度，在大應(yīng)變范圍內(nèi)較大測(cè)量范圍的優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yīng)。此外，傳感器具有高分辨率，能夠檢測(cè)到小幅度的壓力變化，且在20,000次循環(huán)測(cè)試中沒(méi)有明顯的信號(hào)變化（圖3i）。與其他軟電容傳感器相比，本文傳感器的檢測(cè)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(gè)性化鞋墊，用于實(shí)時(shí)壓力監(jiān)測(cè)，并具有出色的耐久性，可承受10,000個(gè)循環(huán)。圖4a展示了該鞋墊的設(shè)計(jì)，每個(gè)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(gè)16傳感器陣列（圖4b）。將鞋墊放入鞋中后，通過(guò)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器和多路復(fù)用器測(cè)量每個(gè)傳感器的電容，結(jié)果顯示所有傳感器表現(xiàn)一致，確保了精確的壓力監(jiān)測(cè)（圖4c-d）。在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)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(shì)分析，并生成相應(yīng)的壓力熱圖，有助于生物力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)異常壓力區(qū)域，設(shè)計(jì)針對(duì)性的干預(yù)措施。此外，在反復(fù)的復(fù)雜摩擦測(cè)試中，傳感器仍能保持穩(wěn)定信號(hào)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(jīng)過(guò)10,000個(gè)循環(huán)后，電容變化幾乎沒(méi)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(zhì)和導(dǎo)電硅膠之間較大的界面韌性。

圖5 結(jié)合軟致動(dòng)器和軟傳感器的全3D打印軟機(jī)器人手

最后，作者開(kāi)發(fā)了一種完全3D打印的軟體機(jī)器人手，通過(guò)軟氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和軟傳感器實(shí)現(xiàn)精確控制（圖5a）。每根手指包含軟氣動(dòng)執(zhí)行器、電容觸覺(jué)傳感器和電阻彎曲傳感器，采用介電和導(dǎo)電硅膠材料，在一步打印過(guò)程中完成，無(wú)需后處理。優(yōu)化的打印參數(shù)確保了手指的結(jié)構(gòu)一致性，并避免了導(dǎo)電與介電材料的相互干擾（圖5b-d）。觸覺(jué)傳感器獨(dú)立于彎曲傳感器工作，可測(cè)量指尖的接觸力，而彎曲傳感器檢測(cè)手指的彎曲（圖5e）。結(jié)合觸覺(jué)傳感器，軟體機(jī)器人手可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)中模擬手指的動(dòng)作，提供精準(zhǔn)的手勢(shì)模擬，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療訓(xùn)練、元宇宙及人機(jī)交互中（圖5h-i）。

結(jié)論：綜上所述，該研究開(kāi)發(fā)了一種定制的多材料3D打印機(jī)，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(cè)量范圍（0.85 Pa-5000 kPa）。展示了兩種應(yīng)用：一是嵌入傳感器陣列的智能個(gè)性化鞋墊，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)足底壓力分布，且耐用性超過(guò)10,000個(gè)循環(huán)；二是結(jié)合軟性驅(qū)動(dòng)器和傳感器的3D打印機(jī)器人手，能夠執(zhí)行反饋控制、姿態(tài)識(shí)別和物體抓取。因此，所開(kāi)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(jìn)了堅(jiān)固軟功能設(shè)備的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了軟體機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的執(zhí)行能力。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1002/advs.202410284