用于碳基织物应变传感器的单一导电材料印刷工艺
2022-07-17 13:57:44   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，由华南理工大学电子与信息学院高级工程师舒琳（未来技术学院副院长）所带领的一支科研团队于2022年7月在Materials & Design期刊上发表了以“A Single-material-printed, Low-cost Design for A Carbon-based Fabric Strain Sensor”为题的研究论文。文中提出了一种基于单一导电材料的新设计方案，适用于低成本大规模生产的织物应变传感器（fabric strain sensor，FSS）。这种新的设计方案克服了失配问题，为设计工作在较宽电阻范围（∼100KΩ到几MΩ）内的柔性电阻传感器提供了重要的参考价值。

织物应变传感器的一步印刷工艺示意图

柔性可穿戴应变传感器因其超薄的厚度、低模量、高延展性和高灵敏度而受到广泛关注，在人体运动检测、医疗康复、电子皮肤和人机交互等领域具有重要应用。压阻应变式传感器因其高传感性能、低功耗和简单的读出电路而得到广泛研究。通常，这些传感器使用功能材料作为传感部分，两端使用高导电材料作为连接部分，用于外部电连接。最近的研究主要集中在通过开发新型材料和机械结构来提高传感部分的灵敏度和工作范围，但很少关注连接部分的设计。此外，这些传感器需要昂贵、复杂且耗时的制造工艺，这阻碍了可穿戴应变传感器的实际应用和商业化。

目前，可穿戴应变传感器的开发存在两个挑战。一个挑战是制造过程的复杂性，以及由不同材料制成的传感部分和连接部分之间的不匹配。丝网印刷为大规模生产提供了一种简单、低成本的方法，已广泛用于生产应变传感器、太阳能电池和印刷电路。然而，制作传感部分和连接部分需要两个步骤。连接部分应具有比传感部分更高的导电性和机械稳定性，以确保局部灵敏度和整体耐久性。因此，制造这两个部分需要不同的材料。然而，印刷过程中使用的每种材料都需要多个制造步骤，这增加了制造工艺的复杂性。最近对柔性应变传感器的研究试图使用仅传感部分的一步制造来简化过程，其中传感部分通过铜带、铜线或银线连接到外部测试系统。然而，刚性连接部分和传感部分之间的界面区域会出现明显的应力集中。这将导致互连的可靠性问题，并需要额外的互连层来消除连接部分和传感部分之间的杨氏模量失配。因此，有必要开发一种基于单一材料的一步印刷方法来制造整个传感器。

另一个关键挑战是成本。导电油墨材料的选择直接关系到生产成本。虽然金属基材料（例如银纳米颗粒和银纳米线）具有极高的导电性，但在工业生产中由于其成本高且结构不稳定，仍然存在缺点。相比之下，碳基材料（例如炭黑、碳纳米管和石墨烯）为大规模制造应变传感器提供了更好的选择。更重要的是，需要仔细考虑碳纳米管的潜在毒性。在可穿戴环境中，碳纳米管的高纵横比和超高刚度使其有可能脱离弹性基体。这种未结合的碳纳米管有可能进入人体并引起毒性问题。相比之下，炭黑具有零维、非晶态结构，在导电复合材料中总是形成聚集体。因此，炭黑在弹性体复合材料中的毒性明显低于碳纳米管。此外，将纳米管分散到基质中也具有挑战性，因为碳纳米管的表面能较低导致碳纳米管与基质之间的物理相互作用不足。因此，碳纳米管在使用前需要进行功能化，而将炭黑和聚合物加工成复合材料则不需要功能化。最近，炭黑被分散到有机硅弹性体中，以制备具有低模量、低滞后、中等导电性和优异机械性能的导电复合材料。这种复合材料已被大规模用于制造应变传感器。

在本论文中，作者提出了一种简单且低成本的方法，将炭黑-有机硅弹性体（carbon black-silicone elastomer，CB-SE）复合材料涂敷在织物基材上，利用一步丝网印刷工艺制造织物应变传感器（FSS）的传感部分和连接部分。通过对传感部分和连接部分设计不同的结构来研究织物应变传感器的尺寸效应，使得织物应变传感器在应变下的整体电阻变化仅取决于传感部分。织物应变传感器表现出卓越的性能，包括足够的应变系数、较宽的工作范围、较长的疲劳寿命和较高的机械鲁棒性。为了这种证明应变传感器的实用性，研究人员将织物应变传感器贴在人体皮肤上，用于检测人体运动，例如手腕弯曲、手指弯曲、吞咽和皱眉。织物应变传感器在可穿戴应用中前景广阔，为大规模生产柔性传感器提供了重要参考。

传感部分和连接部分设计

尺寸对传感性能的影响

这项研究的亮点主要在于：

1、通过一步印刷工艺使用单一材料制造柔性应变传感器的传感和连接部分。

2、理论模型和实验表明，传感器尺寸对应变系数的影响可以忽略不计。

3、利用简单制造工艺制备的新型织物应变传感器具有优异的机械稳定性和疲劳寿命。

4、织物应变传感器在检测人体运动时具有良好的响应，验证了其潜在的可穿戴应用。

织物应变传感器的性能研究

虽然在本实验中使用了银丝，以方便与测试系统连接，但在实际应用中，本研究设计的织物应变传感器可以通过金属卡扣按钮直接连接到数据采集模块，而无需额外的导线。这种设计方法也可以应用于应变传感器阵列的互连线和传感区域，但缺点是互连部分需要较大的面积来降低电阻，这仍需要进一步改进。

在未来的工作中，作者将研究厚度对应变传感器性能的影响。至于角度估计，在可穿戴环境中给出角度和应变之间的方程是非常具有挑战性的。事实上，应变和角度之间的关系与应变传感器的预张力、测量长度和位置、手腕和肘部的结构（涉及生物力学）以及受试者的身高和体重有关。所以，作者的计划是从不同的人群中收集足够的肢体弯曲角度与皮肤应变的数据，通过机器学习进行回归分析，获得弯曲角度与实际应变相关的通用模型。

论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110926

延伸阅读：

《可穿戴技术及市场-2021版》

《印刷和柔性传感器技术及市场-2020版》

《碳纳米管（CNT）市场、技术及厂商-2022版》