如何利用簡單且經(jīng)濟(jì)的制造工藝實現(xiàn)雙面織物應(yīng)變傳感器陣列呢？

電子紡織品可以提供具有各種電氣功能的絕緣柔性基底，并已廣泛應(yīng)用于能量采集、醫(yī)療康復(fù)、人體運動檢測和人機(jī)交互等領(lǐng)域。雖然單個織物傳感器可以在可穿戴應(yīng)用中實現(xiàn)超高性能，但不足以準(zhǔn)確檢測人體的空間壓力/觸摸/應(yīng)變分布。此外，當(dāng)單個傳感器損壞時，可穿戴設(shè)備將無法運行。當(dāng)多個傳感器在陣列中并聯(lián)連接時，即使其中一個傳感器損壞，也可以保持設(shè)備的整體功能。因此，織物傳感器陣列的設(shè)計和制造非常重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，香港理工大學(xué)和華南理工大學(xué)的研究人員通過使用單一導(dǎo)電復(fù)合漿料印刷傳感區(qū)域和互連，在彈性織物基底上制備了一種雙面應(yīng)變傳感器陣列。通過控制印刷漿料的粘度，除特定位置的通孔之外，多孔織物兩側(cè)的導(dǎo)電軌道都被絕緣。通過使用簡單且經(jīng)濟(jì)的方法進(jìn)行制造，這種織物應(yīng)變傳感器陣列表現(xiàn)出較好的一致性、可靠的連接接口、足夠的環(huán)境穩(wěn)定性和較長的疲勞壽命（～10,000次循環(huán)載荷）。相關(guān)研究成果以“A novel double-sided fabric strain sensor array fabricated with a facile and cost-effective process”為題發(fā)表在Sensors and Actuators A: Physical期刊上。

在這項研究中，通過在織物的每一側(cè)印刷炭黑硅彈性體（CB-SE）復(fù)合材料，并通過填充相同復(fù)合材料的通孔連接兩側(cè)，制備了雙面織物基應(yīng)變傳感器陣列（FSSA）。該傳感器陣列的尺寸被設(shè)計為約15 cm長和11 cm寬，每個傳感器的水平距離為9 mm，垂直距離為20 mm，?上、下互連的尺寸均為14 cm長和1.5 cm寬。

織物傳感器單元和傳感器陣列的設(shè)計

該傳感器陣列的制造過程如下圖所示，包括（a）印刷頂部導(dǎo)電圖案；（b）印刷底部導(dǎo)電圖案；（c）穿過兩層打孔；（d）在頂層和底層分別用復(fù)合材料填充孔；（e）在傳感器陣列的兩側(cè)印刷封裝層；（f）安裝用于外部電氣連接的金屬按鈕。

雙面織物應(yīng)變傳感器陣列的制造過程

為了檢驗FSSA設(shè)計的合理性，有必要對傳感器單元的性能、雙層電路的絕緣和連接測試以及FSSA在循環(huán)應(yīng)變下的一致性和穩(wěn)定性進(jìn)行評估。實驗結(jié)果表明，所得織物傳感陣列表現(xiàn)出高性能、優(yōu)異的一致性、層與層之間穩(wěn)定的連接以及超過10,000次循環(huán)應(yīng)變的超長疲勞壽命。

傳感器的性能測試

雙層電路的絕緣和連接測試

FSSA的一致性和穩(wěn)定性測試

將FSSA安裝在膝蓋上，以檢測膝蓋彎曲運動的動態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明，F(xiàn)SSA具有動態(tài)監(jiān)測和實時繪制身體運動應(yīng)變空間分布的能力，可用于運動員成績評估和下一代康復(fù)，優(yōu)于單一傳感器。

FSSA的應(yīng)用

總而言之，研究人員采用單一導(dǎo)電材料印刷工藝來制造基于織物的雙面應(yīng)變傳感器陣列，在傳感區(qū)域和互連之間具有可靠的接口。通過控制印刷漿料的黏度，制作雙面可拉伸電路，實現(xiàn)雙面之間的絕緣和連接，確保器件具有可靠的跨層連接和絕緣。所得織物傳感陣列表現(xiàn)出高性能、優(yōu)異的一致性、層與層之間穩(wěn)定的連接以及超過10,000次循環(huán)應(yīng)變的超長疲勞壽命。研究人員提出了一種具有較低串?dāng)_誤差（小于1%）和電路復(fù)雜度的GND連接電阻矩陣方法來獲取織物應(yīng)變傳感器陣列的電阻信號，從而解決了從傳感單元到硬互連的接口連接問題，并為可拉伸多層電路的設(shè)計提供了參考。

在未來的工作中，研究人員將進(jìn)一步降低互連電阻和器件尺寸。這項工作基于一種材料印刷的生產(chǎn)方法，其中互連需要大面積，而傳感區(qū)域需要大的縱橫比來滿足生產(chǎn)要求，導(dǎo)致器件面積很大。高密度和高精度傳感器陣列在可穿戴應(yīng)用中很受歡迎。該研究僅考慮了器件的二維（2D）尺寸，因此難以進(jìn)一步降低互連電阻和器件尺寸。在未來的研究中，將研究長寬高比，以減小器件的面積，實現(xiàn)大規(guī)模的傳感器陣列。

論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115208

審核編輯：劉清