來源: 高分子科學(xué)前沿
近年來,,柔性壓敏傳感器因其在可穿戴電子,、機(jī)器人,、觸摸屏等皮膚領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注,。這些傳感器可以根據(jù)電阻率,、電容和壓電原理設(shè)計(jì),。電阻式壓力傳感器均基于彈性矩陣,但在低壓區(qū)(< 5KPa)往往表現(xiàn)出較大的滯后和較差的靈敏度,,而壓電式壓力傳感器又無法測(cè)量靜壓,,且易受到溫度影響。而電容式壓力傳感器具有靈敏度較高,、功耗低,、溫度無關(guān)、頻率響應(yīng)好,、長(zhǎng)期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),。其中,靈敏度是決定其工作性能的決定性因素,。電容式傳感器是通過在兩層高順應(yīng)性電子導(dǎo)體(如ITO,、Ag NWs、CNTs)之間夾一層彈性電介質(zhì)薄膜(如PDMS)而組裝成的,,這類傳感器通常被稱為電子皮膚,。在這種結(jié)構(gòu)中,彈性介質(zhì)的可壓縮性保證了在壓力負(fù)荷作用下電容的較大變化,,對(duì)傳感器的靈敏度有重要影響,。
已經(jīng)表明,引入超低彈性模量介電材料或者設(shè)計(jì)空氣陷阱微觀介電層,,靈敏度會(huì)得到很大的改善,,然而,實(shí)現(xiàn)這樣的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往需要一個(gè)復(fù)雜而耗時(shí)的模具轉(zhuǎn)移過程,,在此過程中模具是基于化學(xué)刻蝕和光刻技術(shù)制備的,,從而限制了規(guī)模和結(jié)構(gòu)多樣性。后來,,離子皮膚的概念被提出,,離子導(dǎo)體取代電子皮膚中的電子導(dǎo)體,并作為傳感器的電極,。這種離子皮膚對(duì)壓力的傳感具有很高的靈敏度,,因?yàn)樗鼈兊碾姌O組件可以通過3D打印簡(jiǎn)單的微制造技術(shù)輕松構(gòu)建,。在壓力傳感器中引入柔軟、結(jié)構(gòu)化的水凝膠,,使得整個(gè)離子皮膚更容易形變,,從而有利于提高靈敏度。此外,,許多水凝膠具有相對(duì)良好的生物相容性,,其壓縮模量接近人體的楊氏模量,從而保證了離子皮膚于人體組織之間的力學(xué)相容性,。然而,,水凝膠在露天環(huán)境中會(huì)迅速干燥,在此過程中,,水凝膠的透明性,、導(dǎo)電性、柔韌性,、可拉伸性等各種性能會(huì)逐漸降低,,從而影響了器件的性能的穩(wěn)定性。信號(hào)漂移是離子皮膚和電子皮膚在長(zhǎng)期觸覺檢測(cè)中共同面臨的另一個(gè)難題,。目前,,幾乎所有現(xiàn)存的柔性電容器的結(jié)構(gòu)都是通過物理上逐層疊加而實(shí)現(xiàn)。層間非化學(xué)鍵合,,以及電極與介質(zhì)材料之間的彈性不一致,,將導(dǎo)致層間在苛刻的壓力反復(fù)加載-卸載循環(huán)中產(chǎn)生相對(duì)位移。因此,,使用一段時(shí)間后往往會(huì)出現(xiàn)明顯的電容漂移,,使得檢查結(jié)果不再可靠。
為此,,加拿大西安大略大學(xué)的Yang Jun教授團(tuán)隊(duì)提出了一種雙材料3D打印制作離子皮膚的策略,,消除了長(zhǎng)期使用過程中信號(hào)漂移和性能衰退的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)通過3D打印具有微結(jié)構(gòu)的離子水凝膠電極,,賦予了離子皮膚高靈敏度,。離子皮膚是由兩個(gè)光固化前驅(qū)體(PAAm/PEGDA/Mg2+水凝膠和水稀釋聚氨酯丙烯酸酯-WPUA)的替代數(shù)字光處理3D打印制備的,其中,,離子導(dǎo)電水凝膠作為軟而透明的電極,,電絕緣的WPUA作為柔性、透明的介質(zhì)層,。這種新型的雙材料打印使得水凝膠和WPUA之間具有很強(qiáng)的化學(xué)鍵合,,這對(duì)水凝膠與空氣之間的隔離具有重要作用,賦予了該裝置設(shè)計(jì)的特性。所得的裝置具有高靈敏度,、最小滯后、毫秒范圍內(nèi)響應(yīng)和良好的重復(fù)耐壓性能,。
論文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201904716
研究表明該雙材料3D打印技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定,、高性能的離子皮膚制備,用于監(jiān)測(cè)人的生理信號(hào)和人機(jī)交互,。
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2019-8-28 13:34 上傳
圖-1. a-c)雙材料3D打印流程示意圖,。首先,在DLP打印過程中對(duì)第一前驅(qū)體溶液進(jìn)行uv固化,。接著,,在平臺(tái)上建立了指定的層數(shù)后,我們暫停打印進(jìn)度,,將打印部分抬起,,用另一個(gè)帶有第二前驅(qū)體的樹脂槽替換,然后重新打印,,將第二樹脂直接固化到前一層,。這個(gè)過程不斷重復(fù),直到整個(gè)3D對(duì)象構(gòu)建完成,。d-f)WPUA層,、WPUA-水凝膠過渡層、水凝膠層中的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)示意圖
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圖-2. a)DLP打印WPUA-水凝膠復(fù)合材料的形變性能,,該復(fù)合材料具有良好的拉伸性,、彈性、能夠承受高水平的壓縮變形,、扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形,,且無明顯損傷。b,c)WPUA-水凝膠空心立方體在去離子水中浸泡2h前后的圖像,。d)WPUA-水凝膠膜具有透明,、柔韌的特性(總厚度200μm)e,f)在MgCl2中浸泡2h 前后,雙層薄膜的兩個(gè)表面的導(dǎo)電差異,,頂部:水凝膠表面,;底部:WPUA表面。g)WPUA-水凝膠-WPUA三層薄膜的結(jié)構(gòu)與圖像,。h)重量和電阻隨空氣接觸時(shí)間的變化曲線,。
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圖-3. a)全印刷電容式傳感器示意圖。b)傳感器的總厚度為1.2mm,,它是由600μm結(jié)構(gòu)的水凝膠層和300μm厚水凝膠層作為電極,,其余三層100m WPUA薄膜作為中間介電層、頂層和底層的絕緣層,。c)數(shù)碼照片顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全印刷電容式傳感器,。d)電壓偏置(1V)下具有梁結(jié)構(gòu)特征的離子皮膚等效電路原理圖,,其中,Cedl為金屬電極與離子水凝膠導(dǎo)體界面處形成的雙電層,,CWPUA為兩個(gè)水凝膠電極接觸部分WPUA介質(zhì)的電容,,Cair和CWPUA分別為空氣介質(zhì)電容和懸浮部分的WPUA介質(zhì)電容,d0為WPUA介質(zhì)層初始厚度100μm,,d1為空氣介質(zhì)層厚度,,等于水凝膠結(jié)構(gòu)的初始高度,Δd1和Δd0為壓力狀態(tài)下空氣介質(zhì)和WPUA介質(zhì)層的厚度變化,,紅虛線和黃虛線圍起來的分別為接觸部分和懸浮部分,。e)離子皮膚的等效電路圖
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圖-4.全打印離子皮膚的性能。a)相對(duì)電容變化(ΔC/C0)與不同光束高度的全印刷傳感器所受壓力的響應(yīng)曲線,。b)在0.5-5KPa壓力范圍內(nèi)不同光束高度的全打印傳感器的感應(yīng)噪聲,。c)不同施加壓力以及不同光束間距傳感器電容響應(yīng)隨時(shí)間變化的曲線。d)全打印傳感器對(duì)施加與釋放的外部壓力負(fù)載(0.5KPa)的響應(yīng)與恢復(fù)時(shí)間,。e)全打印傳感器的滯后曲線,。f)對(duì)比0和1.0KPa之間1000次壓力循環(huán)的全打印傳感器的歸一化容量測(cè)試。
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圖-5. 全打印離子皮膚的應(yīng)用演示,。a)在指節(jié)位置彎曲和挺直壓力傳感器時(shí)電容值的變化,。b)在講“Lucky”“good”“3D-printedsensor”詞匯時(shí)不同的聲音條件下電容的響應(yīng)變化。c)對(duì)音樂節(jié)奏響應(yīng)下實(shí)時(shí)的電容測(cè)試,。傳感器安裝在鋼琴的Mi鍵上,,當(dāng)我們演奏jinglebells時(shí),電容會(huì)有節(jié)奏的變化,。d)不同高度連續(xù)水滴的實(shí)時(shí)電容響應(yīng),。
該成果近日以“MonolithicDual-Material 3D Printing of Ionic Skins with Long-Term PerformanceStability”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Advanced Functional Materials上。
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