用于面外力檢測(cè)的三維可伸縮應(yīng)變傳感器

作者： 尚振濤、田小永

可伸縮應(yīng)變傳感器作為軟體機(jī)械的接口，為醫(yī)療監(jiān)控、康復(fù)輔助、軟外骨骼設(shè)備和軟體機(jī)器人提供了重要的機(jī)械狀態(tài)信息檢測(cè)手段。基于二維平面薄膜的可伸縮應(yīng)變傳感器已經(jīng)被廣泛研究并用于檢測(cè)位于傳感器平面內(nèi)的應(yīng)力，為了獲得更全面的機(jī)械信息，更需要檢測(cè)傳感器所在平面外部的相互作用引起的面外力信息，如圖1。

圖1 傳感器檢測(cè)的面內(nèi)力和面外力

南洋理工大學(xué)的研究人員研制出一種利用3D打印技術(shù)和碳納米管的毛細(xì)作用與自固定作用的可伸縮應(yīng)變傳感器來(lái)檢測(cè)面外應(yīng)力[1]。三維結(jié)構(gòu)傳感器具有很強(qiáng)的可拉伸性能、多重應(yīng)變檢測(cè)和應(yīng)變方向識(shí)別等功能。
如圖2，作者首先對(duì)可伸縮傳感器進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)在傳感器根部引入梯形過(guò)渡區(qū)域、降低傳感器和基板的壁厚、提高傳感器棒狀部分的剛度等策略增大傳感器的應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)變值高于0.1%區(qū)域的面積，進(jìn)而提高傳感器的靈敏度和傳感信號(hào)的穩(wěn)定性。

圖2 基于能量守恒和經(jīng)典彎矩理論的傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化

作者用FDM（熔融沉積成形）3D打印工藝制備出聚乳酸基板作為成形模具，然后在表面旋涂一定厚度的PDMS（聚二甲基硅氧烷），將制備好的碳納米管/去離子水溶液涂敷在傳感器根部的圓錐面上，再在傳感器底部固定若干碳納米管圓環(huán)，采用五點(diǎn)封裝法對(duì)傳感器進(jìn)行封裝，如圖3所示。

圖3 五點(diǎn)封裝的可伸縮應(yīng)變傳感器單元結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于制備好的傳感器，將傳感器根部依據(jù)應(yīng)變情況劃分為四個(gè)區(qū)域（圖4）：拉伸區(qū)（�。�、壓縮區(qū)（ⅲ）、混合區(qū)（ⅱ、ⅳ）。作者測(cè)試了四個(gè)區(qū)域在傳感器棒狀部分產(chǎn)生不同彎曲角度時(shí)的電阻值，驗(yàn)證了該傳感器的壓阻效應(yīng)。為了獲得傳感器的耐久性和穩(wěn)定性特征，進(jìn)行了傳感器拉伸、壓縮區(qū)域的應(yīng)力循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，如圖5。

圖4 傳感器發(fā)生不同角度彎曲時(shí)四個(gè)區(qū)域?qū)��?yīng)的歸一化電阻值（R為產(chǎn)生應(yīng)變后的電阻，R0為不發(fā)生彎曲時(shí)的電阻）

圖5傳感器的循環(huán)應(yīng)變加載實(shí)驗(yàn)

作者在不同流速的氮?dú)鈿饬髦袡z測(cè)了傳感器的電阻變化（圖6），結(jié)果顯示氮?dú)饬魉購(gòu)?m/s增加到11m/s，歸一化電阻變?yōu)樵瓉?lái)的10倍左右，說(shuō)明傳感器具有較大量程和良好的靈敏度。

圖6 不同氮?dú)饬魉傧聜鞲衅鞯臍w一化電阻

該傳感器易于集成并可用于檢測(cè)多重應(yīng)變和微流體的流動(dòng)，還可以監(jiān)測(cè)包括流速、阻尼振動(dòng)、準(zhǔn)靜態(tài)力平衡和流動(dòng)狀態(tài)等復(fù)雜流動(dòng)的細(xì)節(jié)。使用3D打印和溶液基體材料可以實(shí)現(xiàn)成本控制和傳感器的規(guī)模應(yīng)用，該三維結(jié)構(gòu)可伸縮傳感器的概念和相關(guān)設(shè)計(jì)原理也為探索人工電子皮膚和柔性電子設(shè)備開(kāi)辟了道路。
參考文獻(xiàn)
L.F. Wang, J. Sun, X.L. Yu, Y. Shi, X.G. Zhu, L.Y. Cheng, H.H. Liang, B. Yan, L.J. Guo, Enhancement in mechanical properties of selectively laser-melted AlSi10Mg aluminum alloys by T6-like heat treatment, Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing 734 (2018) 299-310.Liu Z , Qi D , Leow W R , et al. 3D‐Structured Stretchable Strain Sensors for Out‐of‐Plane Force Detection[J]. Advanced Materials, 2018:e1707285.

供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室