哈佛大學Advanced Materials Technologies：新型柔性電容感測器-可準確監測人體細微運動

【引言】

本文介紹了用於人體關節檢測，軟機器人和外骨骼的高度可拉伸的紡織-硅膠電容感測器的設計和批量製造。所提出的感測器由導電編織織物製成，作為電極和有機硅彈性體作為電介質。批量生產技術能夠生產大型感測器墊和感測器的任意成形，這通過感測器墊的激光切割精確實現。單個電容感測器具有高線性度，低滯後性和規格係數。通過將微同軸電纜的細絲與熱塑性薄膜的感測器的導電織物電極熔合，來建立符合標準，低調和堅固的電氣連接。電容感測器集成在重建手套上，用於監控手指運動。

【成果簡介】

近日，美國哈佛大學Conor J. Walsh（通訊作者）課題組製備出一種高度靈敏的柔性電容感測器，發表在Advanced Materials Technologies的「Batch Fabrication of Customizable Silicone-Textile Composite Capacitive Strain Sensors for Human Motion Tracking」的文章。該研究團隊將導電針織物與硅膠結合在一起，以基於批量層的生產方法製造我們的感測器。將硅氧烷膜作為電介質層澆鑄固化。然後通過施加較薄的硅樹脂鑄件將導電織物粘附到每個表面上，通過輥施加壓力將織物施加在表面上產生了完整的感測器片，然後可以使用激光精確地切割任意形狀的感測器。另一個優點是從相同的片材切割出的相同的感測器可以具有一致的基線電容值。激光切割工藝還在導電織物邊緣處引導纖維，防止電極短路。

圖1 導電編織織物和硅氧烷彈性體的電介質層構造電極可擴展的批量製造工藝

（a）複合紡織硅膠感測器的製造工藝示意圖：（i）介電硅膠鑄造。（ii）通過有機硅彈性體鑄造粘合織物電極。（iii）放置磁帶屏蔽和激光切割感測器。（iv）使用即時粘合劑和熱膜在同軸電纜和織物電極之間創建永久電連接。（v）感測器和材料層的3D圖示。

（b）通過激光切割對感測器進行任意整形的示意圖；

（c，d）感測器的照片，說明在≈0和100％應變下應用拉伸；

圖2 電容式感測器的力學，電學性能表徵

（a）導電織物和硅樹脂的面積變化的代表性草圖；

（b）導電織物和硅樹脂應變的函數的面積變化；

（c）導電織物和硅樹脂的塑性變形百分比；

（d）電容式感測器的機電測試設置和截面圖；

（e）三角循環應變時感測器電容相對變化為0.11 Hz時的100％；

（f）作為施加的應變間隔的函數的感測器的相對電容變化。

圖3 電容式感測器的電化學性能測試

（a）作為施加應變的函數的20次循環的相對電容變化；

（b）相對電容變化作為25,50,75和100％應變水平的循環次數的函數；

（c）紡織硅酮複合感測器在24 mm s-1的速度下施加外部階梯狀增加應變載荷時的時間響應；

（d）頻率掃描測試：感測器拉伸到10％應變時，頻率從1 Hz增加到30 Hz。

圖4 感應手套的性能測試

（a）感應手套的照片；

（b）電纜布線和應力消除由疊加的熱敏膜提供；

（c）感測器放置和集成示意圖：（i）使用硅膠粘合劑連接感測器和（ii）帶有粘附熱膜的感測器；

（d）手指運動時手指的電容輸出。

【小結】

該研究團隊開發了可定製的可拉伸紡織硅膠複合電容式感測器，用於監測人體關節。使用組合製造大型感測器片材和激光切割的批量製造工藝，展示了可以輕鬆創建具有一致屬性或任意形狀的感測器的方法。導電織物結構的網路提供了堅固可靠的電極，並且複合材料產生了良好的機械性能。雖然GF的增加是最小的，但是這項研究證明，通過優化感測器結構，可以超越由介電彈性體的泊松比引起的理論GF限制。通過利用具有負泊松比的組成材料來完成，並且可以通過設計輔助感測器結構進一步改進。研究結果表明，感測器表現出高線性度和低滯後，當拉伸到100％應變，響應時間快。為了對應用進行可靠的測量，解析度是與感測器和數字測量設備相關的重要規範。未來的工作將涉及表徵感測器性能，如果感測器與定製或現成的嵌入式電子元件結合可穿戴應用。最後，展示了這種簡單的感測器系統非常便於整合在服裝上，用於監測人體活動。這種類型的軟應變感測器適用於集成到軟機器人以及可穿戴機器人中，以協助移動和抓握。

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