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美國南加州大學:受折紙啟發,研發一種低滯后、高拉伸性應變傳感器!

更新時間:2025-03-13   點擊次數:273次

受到折紙從二維變為三維的制作過程啟發,南加州大學的研究人員設計了一種可變形的非平行板三維電容應變傳感器。這種非平行板電容應變傳感器的制備過程非常巧妙,研究者首先在預拉伸的硅膠彈性基底上制備二維電極圖案,然后通過釋放預應變讓基底恢復原長,從而將二維電極轉換為具有一定折疊角度的三維非平行電極板,從而為這種電容式的應變傳感器提供了很大的可拉伸性、超低滯后性、高重復性、快速響應時間以及小傳感器面積等優勢。此外,的三維電極設計還支持壓縮應變傳感和特定方向的應變響應,這是不同于以往大多數基于可拉伸材料的柔性應變傳感器的性質。毫米級的小傳感面積還允許這種傳感器可以簡單地粘附在軟體裝置上實現對它們形變的分布式測量。


圖1D展示了折紙結構的電容式應變傳感器制作工藝。首先制造一個平面多層結構,稱為二維前驅體。二維前驅體包括底部Parylene層(厚度5μm)、光刻圖案的金屬層(鉻/金,厚度25/200nm)和其上方的另一個Parylene層(厚度5μm)。對Parylene層進行圖案和蝕刻形成了Parylene/金屬/Parylene圖案,定義了多面板電極和一對狹窄的(~100 μm)蛇形導線。這些蛇形導線作為電極和外部電子設備之間高度可伸縮的電互連結構。厚(35至40 μm厚),可光定義環氧樹脂(SU-8 25)覆蓋頂部Parylene層,在四個圖案的矩形區域提供硬化。與未覆蓋的區域相比,該SU-8層的覆蓋范圍使彎曲剛度增加了大約130到175倍,從而形成了面板折痕結構。連接兩個電極的Parylene/金屬/Parylene折痕中的狹縫設計進一步降低了折痕的彎曲剛度。通過暗板掩膜將Ti/SiO2雙層(15 nm/50 nm厚)沉積在二維前驅體的背面,形成與單軸預拉伸的彈性體襯底(Ecoflex 00-31)的共價鍵合位點。釋放預應變會施加壓縮力,導致二維前驅體的未結合區域沿著狹縫發生屈曲。

這種傳感器設計的關鍵參數包括在三維組裝過程中施加的預應變、電極尺寸和蛇形布局。預應變決定了三維電極的折疊角度和結合位點之間的距離。有限元分析給出了二維前驅體組成材料的力學性能,可以準確地預測在組裝過程中從二維到三維的幾何轉換以及由此產生的三維電極的結構。在由有限元分析預測的不同預應變水平的代表性設計中,所得到的三維電極的形狀與實驗結果一致(如圖2A)。電極的尺寸影響三維電極的初始電容和折疊/展開過程中電容的變化。在預應變固定的情況下,電容隨電極寬度W和長度L的增加而增加。有限元分析結果表明電極寬度呈線性趨勢,但在折痕長度固定的情況下,電極長度超過一定值時斜率會變小(如圖2B和2C)。蛇形線提供可伸縮的電互連,采用110μm,線寬,900μm,長180°的弧角設計。蛇形線的痕跡由于其在通道內的平面外屈曲和扭曲,可以容納大的單軸拉伸而不斷裂。將金屬層放置在Parylene/金屬/Parylene三層平面上,也最小化了彎曲引起的應變(如圖2D)。

可拉伸應變傳感器可以測量相對較大的變形,研究人員展示了將它們用于軟機器人形狀和變形的感知測量。分布式應變傳感器可以無縫集成到軟機器人表面,然后根據測量數據進行三維重建的應變分布測量,為軟機器人在任意環境設置下的本體感覺提供了一個解決方案。然而,具有高滯后滯或低拉伸能力的應變傳感器可能會限制本體感覺能力。軟機器人本體感覺的另一個挑戰是對軟機器人的多模態變形的分解,如拉伸/壓縮、彎曲、扭曲和剪切,這些變形可以同時存在。本文提出的電容傳感器中的三維角度電極可以隨著鍵接點方向的拉伸或壓縮而展開或折疊,分別導致電容的減少或增加(圖3B)。由于三維電極的不對稱結構,傳感器在不同角度的拉伸作用下,與傳感器帶的縱向方向表現出方向相關的電容變化。復雜的、不對稱的變形模式可以導致與面S1和面S2不同的傳感器響應。彎曲臂在外表面產生顯著的拉伸應變和內表面的壓縮應變都可以被傳感器所捕獲(如圖5C)。

研究者提出了將三維可折疊的非平行板電極與彈性基底集成到電容應變傳感中的設計概念和方法。襯底的可拉伸性和電極的可逆折疊/展開使得傳感器具有了較大的應變傳感范圍和最小的滯后。這些微型傳感器非常適合于粘貼在被測物體表面以精確測量目標物體的局部變形。大拉伸性、小滯后性、快速響應速度、定向應變響應和小傳感器體積是準確測量大應變、復雜和多模態變形的關鍵,比如在動物(如章魚臂和象鼻)、人類(如肺)和軟機器人監測中這種傳感器就可以發揮重要的作用。可擴展的制造過程和可預測的傳感器性能進一步擴大了其實際使用的機會。

來源:傳感器專家網

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