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用于可穿戴电子设备的柔性全向应变传感器！

JAD电介质学术交流
2022-06-27 10:42:10
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通过应变引起材料长度/形状变形导致电阻变化原理已被广泛应用于传感器制造。商用薄膜电阻式应变片通过在聚酰亚胺薄膜上溅射沉积薄金属蛇形线，可将电阻变化放大。但该应变设计存在制造成本高且反复弯曲后薄金属线条容易发生失效，不适合用于人体和复杂3D表面进行变形监测。

通过导电纳米填料和柔性高分子复合制备的复合导电材料已经广泛用于柔性可拉伸传感器的制备，但目前在实践中充分跟踪随机应变的需求仍没有得到解决。丝网印刷技术工艺简单、材料成本低，具有低温和图案化设计大面积生产的优势。

近日，江南大学采用多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（MWCNTs/PDMS）导电复合油墨，通过印刷工艺制备出可跟踪和监测应变的全向应变传感器。相关论文以题为“MWCNTs/PDMS composite enabled printed flexible omnidirectional strain sensors for wearable electronics”发表在Composites Science and Technology。

论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353822002603


在本研究中，作者将MWCNTs /PDMS导电油墨通过丝网印刷在聚酰亚胺（PET）上进行图案化，然后将PDMS涂覆在干燥的印刷品，经过固化后进行剥离得到嵌入印刷的MWCNTs / PDMS传感器的薄膜，经过剥离得到的薄膜在另一侧涂覆PDMS进行封装。通过该制备工艺可以实现适应多场景的多图案柔性传感器的制备（图1）。

图1. 制造过程和印刷柔性应变传感器的图示

油墨的的印刷适性、稳定性和导电性以及印刷质量会影响柔性传感器的传感性能，作者通过对油墨的粘弹性以及对MWCNTs改性的研究，实现油墨配方的优化。

图2. MWCNTs/PDMS复合油墨的特性

印刷工艺的图案化制备有利于满足柔性传感器的多种制备需求：双端蛇形作为单向传感器能够对纵向（Y方向）的拉伸应变具有良好的传感性能；通过双向应变传感器设计（图4a），其可以同时测量X和Y方向的应变同时通过比较信号强弱可以判断应变的施加方向。圆形应变传感器（图4d）的设计可以监测到全方向的应变，不管所施加的应变方向如何，该圆形传感器均会发生对称变形，在工程结构监测中具有广泛的应用前景。玫瑰花环应变传感器（图4g）可以确定应变和定位应变方向。

图3. 印刷柔性单向应变传感器性能评估

图4. 图形化应变传感器性能

图5. 柔性应变传感器的有限元分析结果

图6. 印刷柔性应变传感器的可重复性和稳定性

图7. 图案化柔性应变传感器的应用及其增材制造应变传感器原理图

总的来说，这项研究采用增材丝网印刷和一步法转移工艺制备了柔性应变传感器薄膜，并通过图案设计满足各种应变监测需求。该印刷传感器具有良好的灵活性和对3D轮廓表面（如人体）的共形，对应变循环的敏感性和稳定性，以及长期使用的可重复性和再现性。最后，作者演示了一种可简单快速实现大规模制造的工艺路线，有利于推动该传感器实现从实验室到工厂的流线制造，具有广泛的应用前景。

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期刊简介

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JAD是由姚熹院士创办并担任主编的英文学术期刊，由新加坡世界科技出版集团（WSPC）和西安交通大学国际电介质研究中心（ICDR）共同主办。它以电介质研究为特色，涵盖电介质基础研究、压电、铁电、薄/厚膜、多铁性材料、工程电介质等研究领域。旨在为国际上从事电介质学术研究的学者提供一个集中展示交流最新研究成果的平台，促进学术界对电介质理论及应用研究不断深入。目前JAD为双月刊，被ESCI、Scopus、CA、CNKI、DOAJ等多种检索数据库收录。

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