哈佛大學Advanced Materials Technologies：新型柔性電容傳感器-可準確監測人體細微運動

【引言】

本文介紹了用于人體關節檢測，軟機器人和外骨骼的高度可拉伸的紡織-硅膠電容傳感器的設計和批量制造。所提出的傳感器由導電編織織物制成，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傳感器墊和傳感器的任意成形，這通過傳感器墊的激光切割精確實現。單個電容傳感器具有高線性度，低滯后性和規格系數。通過將微同軸電纜的細絲與熱塑性薄膜的傳感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。電容傳感器集成在重建手套上，用于監控手指運動。

【成果簡介】

近日，美國哈佛大學Conor J. Walsh（通訊作者）課題組制備出一種高度靈敏的柔性電容傳感器，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，以基于批量層的生產方法制造我們的傳感器。將硅氧烷膜作為電介質層澆鑄固化。然后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傳感器片，然后可以使用激光精確地切割任意形狀的傳感器。另一個優點是從相同的片材切割出的相同的傳感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制造工藝

（a）復合紡織硅膠傳感器的制造工藝示意圖：（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傳感器。（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）傳感器和材料層的3D圖示。

（b）通過激光切割對傳感器進行任意整形的示意圖；

（c，d）傳感器的照片，說明在≈0和100％應變下應用拉伸；

圖2 電容式傳感器的力學，電學性能表征

（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）電容式傳感器的機電測試設置和截面圖；

（e）三角循環應變時傳感器電容相對變化為0.11 Hz時的100％；

（f）作為施加的應變間隔的函數的傳感器的相對電容變化。

圖3 電容式傳感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）紡織硅酮復合傳感器在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：傳感器拉伸到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）傳感器放置和集成示意圖：（i）使用硅膠粘合劑連接傳感器和（ii）帶有粘附熱膜的傳感器；

（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制的可拉伸紡織硅膠復合電容式傳感器，用于監測人體關節。使用組合制造大型傳感器片材和激光切割的批量制造工藝，展示了可以輕松創建具有一致屬性或任意形狀的傳感器的方法。導電織物結構的網絡提供了堅固可靠的電極，并且復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，通過優化傳感器結構，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，并且可以通過設計輔助傳感器結構進一步改進。研究結果表明，傳感器表現出高線性度和低滯后，當拉伸到100％應變，響應時間快。為了對應用進行可靠的測量，分辨率是與傳感器和數字測量設備相關的重要規范。未來的工作將涉及表征傳感器性能，如果傳感器與定制或現成的嵌入式電子元件結合可穿戴應用。最后，展示了這種簡單的傳感器系統非常便于整合在服裝上，用于監測人體活動。這種類型的軟應變傳感器適用于集成到軟機器人以及可穿戴機器人中，以協助移動和抓握。

文獻鏈接：Batch Fabrication of Customizable Silicone-Textile Composite Capacitive Strain Sensors for Human Motion Tracking（Advanced Materials Technologies, 2017, DOI: 10.1002/admt.201700136）

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