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(shè)備、柔性電子產(chǎn)品和軟機器人等領(lǐng)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(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(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(zhì)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(zhì),，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(jié)構(gòu)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(shè)備,、人機界面,、柔性電子設(shè)備、軟機器人等領(lǐng)域有著廣泛的應用,。

WHY-基于3D打印技術(shù)在制備軟電容傳感器上的優(yōu)勢是什么,？
采用3D打印技術(shù)在構(gòu)建軟電容傳感器上的優(yōu)勢包括：1）高度自由的設(shè)計與制造：能夠通過數(shù)字化建模實現(xiàn)復雜幾何結(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(jié)構(gòu)和強附著力結(jié)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(guān)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(shù),，用于制造軟電容傳感器，并通過優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計提升其性能（圖1a）,。該傳感器采用了創(chuàng)新的設(shè)計：介電硅膠被傾斜排列形成薄板結(jié)構(gòu),，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(wǎng)絡(luò)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(shè)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(jié)果表明，所選用的墨水保證了打印形狀的穩(wěn)定性,，并能在固化過程中承受自重并保持結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jié)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(jié)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(wǎng)絡(luò)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(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化了傳感器設(shè)計,。實驗結(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,，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(nèi)的可變剛度（圖3b）,。在小應變范圍內(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(jié)構(gòu)提供了在小應變范圍內(nèi)高靈敏度，在大應變范圍內(nèi)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(shè)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(zhuǎn)換器和多路復用器測量每個傳感器的電容，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（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(shè)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(jīng)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(zhì)和導電硅膠之間較大的界面韌性,。

圖5 結(jié)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(qū)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)合軟性驅(qū)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(shè)備的設(shè)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