3D打印受仿生木棉結(jié)構(gòu)啟發(fā)的電容式壓力傳感器，具有調(diào)諧的寬檢測范圍和高靈敏度

來源： AdvancedScienceNews

廣西大學(xué)龍雨教授課題組受仿生木棉結(jié)構(gòu)啟發(fā)，報道了一種具有寬檢測范圍和高靈敏度的柔性電容式壓力傳感器。基于3D打印技術(shù)構(gòu)建電容式壓力傳感器的介電層，介電層具有易變形的內(nèi)凹和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可在壓力下連續(xù)變形。這種設(shè)計顯著擴(kuò)大了壓力響應(yīng)范圍，提高了靈敏度。

近年來，柔性壓力傳感器由于能夠連續(xù)測量各種生理和運動參數(shù)，在健康監(jiān)測、疾病診斷和人機(jī)交互中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。柔性電容式壓力傳感器因其出色的動態(tài)響應(yīng)、耐高溫和低功耗而備受關(guān)注。理想的柔性壓力傳感器應(yīng)具有高靈敏度和較寬的檢測范圍。雖然引入微觀結(jié)構(gòu)（如微金字塔）可以有效提高靈敏度，但由于結(jié)構(gòu)變形空間受到限制，壓力響應(yīng)范圍有限。相比于實現(xiàn)高靈敏度但削弱了監(jiān)測范圍的微結(jié)構(gòu)構(gòu)建策略，使用平板實心彈性體作為介電層可以實現(xiàn)更廣的壓力檢測范圍，但是其負(fù)載時相對變形較小，導(dǎo)致其在工作過程中靈敏度也一直很低�？偟膩碚f，監(jiān)測范圍拓寬與各傳感階段靈敏度提升之間產(chǎn)生的固有矛盾阻礙了柔性傳感器的發(fā)展與應(yīng)用。

另一方面，傳統(tǒng)的柔性傳感器制備技術(shù)存在構(gòu)建難以構(gòu)建獨特形狀結(jié)構(gòu)，或成本高､重復(fù)制造困難、生產(chǎn)周期長的問題。增材制造技術(shù)(又稱3D 打印)由于其優(yōu)越的幾何設(shè)計自由度、可重復(fù)性和快速的生產(chǎn)周期，近年來得到了相當(dāng)大的關(guān)注和發(fā)展。在各種3D 打印技術(shù)中，數(shù)字光處理（DLP）利用紫外線光源和數(shù)字微鏡生成動態(tài)曝光圖案，加工速度快，能夠高精度地生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的柔性傳感器。

近期，廣西大學(xué)龍雨教授團(tuán)隊提出了一種提出一種仿木棉花介電層結(jié)構(gòu)，并通過3D打印技術(shù)制備具有該結(jié)構(gòu)的柔性電容式壓力傳感器。木棉花在開花時具有較大的徑向尺寸變化，基于此提出了可以徑向擴(kuò)張和收縮的花瓣結(jié)構(gòu)，并以花瓣結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種整體內(nèi)凹的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)受壓后易于變形，且具有較大的可壓縮量�；�于仿木棉花介電層結(jié)構(gòu)的柔性電容式壓力傳感器表現(xiàn)出高靈敏度（2.38055 kPa−1在0–10kPa）、寬檢測范圍（734 kPa）、高重復(fù)性（500 kPa內(nèi)1200次循環(huán)）、低遲滯（0.8%）、快速響應(yīng)時間（23ms）以及高壓力分辨率（500kPa下0.4%）。為了實現(xiàn)實際應(yīng)用，柔性電容式壓力傳感器被相應(yīng)地放置在手指、手腕、肘部、膝蓋和足底，以檢測各種身體部位的動作，結(jié)果表明其具有很好的適用性。這項工作有望在智能機(jī)器人、信息感知和人機(jī)交互方面開辟可能的應(yīng)用。

相關(guān)研究成果以“3D Printing of Capacitive Pressure Sensors with Tuned Wide Detection Range and High Sensitivity Inspired by Bio-Inspired Kapok Structures”為題發(fā)表在《Macromolecular Rapid Communications》上。廣西大學(xué)研究生靳青欣為第一作者，廣西大學(xué)龍雨教授為通訊作者。該工作得到了廣西壯族自治區(qū)重點研發(fā)計劃、國家重點研發(fā)計劃、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金專項和廣西壯族自治區(qū)自然科學(xué)基金的大力支持。

圖1.基于三維仿生木棉結(jié)構(gòu)(3DBIKS)的柔性壓力傳感器。(a)木棉及其開合仿生模型。(b) 3DBIKS的設(shè)計理念。(c)基于3DBIKS的介質(zhì)層3D打印。(d)基于3DBIKS的柔性壓力傳感器組裝。e)數(shù)字光處理3D打印原理。

圖2.壓力傳感器的傳感特性。(a)壓力傳感器相對電容(ΔC/C0)隨負(fù)載壓力的變化。(b)傳感器響應(yīng)時間和恢復(fù)時間。(c)傳感器最小檢測壓力。(d) 0 ~ 734 kPa壓力范圍內(nèi)傳感器相對電容的變化情況。(e)預(yù)加載10 kpa和(f)預(yù)加載500 kpa壓力時傳感器相對電容的變化。當(dāng)(e)預(yù)加載10 kpa和(f)預(yù)加載500 kpa時，傳感器可以識別小的壓力變化。(g)在相同壓力(500 kpa)下，不同頻率(10、30、50、100 mm/min)循環(huán)壓縮/釋放傳感器時電容的相對變化。h) 0-10、0-50、0-100、0-500、0-734 kPa響應(yīng)滯后。(i) 0 ~ 734 kPa壓力范圍內(nèi)傳感器相對電容變化。(j)傳感器在500 kpa壓力下的壓縮試驗周期(1200)結(jié)果。(k)本工作中制備的壓力傳感器與采用穩(wěn)定表面微結(jié)構(gòu)或平面結(jié)構(gòu)的其他傳感器的靈敏度比較。

論文信息：
3D Printing of Capacitive Pressure Sensors with Tuned Wide Detection Range and High Sensitivity Inspired by Bio-Inspired Kapok Structures
Qingxin Jin, Chengyun Wang, Han Wu, Xin Luo, Jiaqi Li, Guangmeng Ma, Yu Li, Chunyi Luo, Fawei Guo, Yu Long*
Macromolecular Rapid Communications
DOI: 10.1002/marc.202300668