3D打印受仿生木棉結構啟發的電容式壓力傳感器，具有調諧的寬檢測范圍和高靈敏度
時間：2024-03-05 16:10 來源： AdvancedScienceNews 作者：admin 閱讀：次
廣西大學龍雨教授課題組受仿生木棉結構啟發，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打印技術構建電容式壓力傳感器的介電層，介電層具有易變形的內凹和旋轉結構設計，可在壓力下連續變形。這種設計顯著擴大了壓力響應范圍，提高了靈敏度。
近年來，柔性壓力傳感器由于能夠連續測量各種生理和運動參數，在健康監測、疾病診斷和人機交互中得到了廣泛的研究和應用。柔性電容式壓力傳感器因其出色的動態響應、耐高溫和低功耗而備受關注。理想的柔性壓力傳感器應具有高靈敏度和較寬的檢測范圍。雖然引入微觀結構（如微金字塔）可以有效提高靈敏度，但由于結構變形空間受到限制，壓力響應范圍有限。相比于實現高靈敏度但削弱了監測范圍的微結構構建策略，使用平板實心彈性體作為介電層可以實現更廣的壓力檢測范圍，但是其負載時相對變形較小，導致其在工作過程中靈敏度也一直很低。總的來說，監測范圍拓寬與各傳感階段靈敏度提升之間產生的固有矛盾阻礙了柔性傳感器的發展與應用。
另一方面，傳統的柔性傳感器制備技術存在構建難以構建獨特形狀結構，或成本高､重復制造困難、生產周期長的問題。增材制造技術(又稱3D 打印)由于其優越的幾何設計自由度、可重復性和快速的生產周期，近年來得到了相當大的關注和發展。在各種3D 打印技術中，數字光處理（DLP）利用紫外線光源和數字微鏡生成動態曝光圖案，加工速度快，能夠高精度地生產具有復雜形狀結構的柔性傳感器。
近期，廣西大學龍雨教授團隊提出了一種提出一種仿木棉花介電層結構，并通過3D打印技術制備具有該結構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張和收縮的花瓣結構，并以花瓣結構為基礎，設計了一種整體內凹的結構。該結構受壓后易于變形，且具有較大的可壓縮量。基于仿木棉花介電層結構的柔性電容式壓力傳感器表現出高靈敏度（2.38055 kPa−1在0–10kPa）、寬檢測范圍（734 kPa）、高重復性（500 kPa內1200次循環）、低遲滯（0.8%）、快速響應時間（23ms）以及高壓力分辨率（500kPa下0.4%）。為了實現實際應用，柔性電容式壓力傳感器被相應地放置在手指、手腕、肘部、膝蓋和足底，以檢測各種身體部位的動作，結果表明其具有很好的適用性。這項工作有望在智能機器人、信息感知和人機交互方面開辟可能的應用。
相關研究成果以“3D Printing of Capacitive Pressure Sensors with Tuned Wide Detection Range and High Sensitivity Inspired by Bio-Inspired Kapok Structures”為題發表在《Macromolecular Rapid Communications》上。廣西大學研究生靳青欣為第一作者，廣西大學龍雨教授為通訊作者。該工作得到了廣西壯族自治區重點研發計劃、國家重點研發計劃、中央引導地方科技發展資金專項和廣西壯族自治區自然科學基金的大力支持。
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
近年來，柔性壓力傳感器由于能夠連續測量各種生理和運動參數，在健康監測、疾病診斷和人機交互中得到了廣泛的研究和應用。柔性電容式壓力傳感器因其出色的動態響應、耐高溫和低功耗而備受關注。理想的柔性壓力傳感器應具有高靈敏度和較寬的檢測范圍。雖然引入微觀結構（如微金字塔）可以有效提高靈敏度，但由于結構變形空間受到限制，壓力響應范圍有限。相比于實現高靈敏度但削弱了監測范圍的微結構構建策略，使用平板實心彈性體作為介電層可以實現更廣的壓力檢測范圍，但是其負載時相對變形較小，導致其在工作過程中靈敏度也一直很低。總的來說，監測范圍拓寬與各傳感階段靈敏度提升之間產生的固有矛盾阻礙了柔性傳感器的發展與應用。
另一方面，傳統的柔性傳感器制備技術存在構建難以構建獨特形狀結構，或成本高､重復制造困難、生產周期長的問題。增材制造技術(又稱3D 打印)由于其優越的幾何設計自由度、可重復性和快速的生產周期，近年來得到了相當大的關注和發展。在各種3D 打印技術中，數字光處理（DLP）利用紫外線光源和數字微鏡生成動態曝光圖案，加工速度快，能夠高精度地生產具有復雜形狀結構的柔性傳感器。
近期，廣西大學龍雨教授團隊提出了一種提出一種仿木棉花介電層結構，并通過3D打印技術制備具有該結構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張和收縮的花瓣結構，并以花瓣結構為基礎，設計了一種整體內凹的結構。該結構受壓后易于變形，且具有較大的可壓縮量。基于仿木棉花介電層結構的柔性電容式壓力傳感器表現出高靈敏度（2.38055 kPa−1在0–10kPa）、寬檢測范圍（734 kPa）、高重復性（500 kPa內1200次循環）、低遲滯（0.8%）、快速響應時間（23ms）以及高壓力分辨率（500kPa下0.4%）。為了實現實際應用，柔性電容式壓力傳感器被相應地放置在手指、手腕、肘部、膝蓋和足底，以檢測各種身體部位的動作，結果表明其具有很好的適用性。這項工作有望在智能機器人、信息感知和人機交互方面開辟可能的應用。
相關研究成果以“3D Printing of Capacitive Pressure Sensors with Tuned Wide Detection Range and High Sensitivity Inspired by Bio-Inspired Kapok Structures”為題發表在《Macromolecular Rapid Communications》上。廣西大學研究生靳青欣為第一作者，廣西大學龍雨教授為通訊作者。該工作得到了廣西壯族自治區重點研發計劃、國家重點研發計劃、中央引導地方科技發展資金專項和廣西壯族自治區自然科學基金的大力支持。
圖1.基于三維仿生木棉結構(3DBIKS)的柔性壓力傳感器。(a)木棉及其開合仿生模型。(b) 3DBIKS的設計理念。(c)基于3DBIKS的介質層3D打印。(d)基于3DBIKS的柔性壓力傳感器組裝。e)數字光處理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)隨負載壓力的變化。(b)傳感器響應時間和恢復時間。(c)傳感器最小檢測壓力。(d)
0 ~ 734 kPa壓力范圍內傳感器相對電容的變化情況。(e)預加載10 kpa和(f)預加載500
kpa壓力時傳感器相對電容的變化。當(e)預加載10 kpa和(f)預加載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響應滯后。(i) 0 ~ 734
kPa壓力范圍內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)結果。(k)本工作中制備的壓力傳感器與采用穩定表面微結構或平面結構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
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