用于面外力檢測的三維可伸縮應變傳感器

作者： 尚振濤、田小永

可伸縮應變傳感器作為軟體機械的接口，為醫(yī)療監(jiān)控、康復輔助、軟外骨骼設備和軟體機器人提供了重要的機械狀態(tài)信息檢測手段�；�于二維平面薄膜的可伸縮應變傳感器已經(jīng)被廣泛研究并用于檢測位于傳感器平面內的應力，為了獲得更全面的機械信息，更需要檢測傳感器所在平面外部的相互作用引起的面外力信息，如圖1。

圖1 傳感器檢測的面內力和面外力

南洋理工大學的研究人員研制出一種利用3D打印技術和碳納米管的毛細作用與自固定作用的可伸縮應變傳感器來檢測面外應力[1]。三維結構傳感器具有很強的可拉伸性能、多重應變檢測和應變方向識別等功能。
如圖2，作者首先對可伸縮傳感器進行機械結構的設計，通過在傳感器根部引入梯形過渡區(qū)域、降低傳感器和基板的壁厚、提高傳感器棒狀部分的剛度等策略增大傳感器的應力集中系數(shù)和應變值高于0.1%區(qū)域的面積，進而提高傳感器的靈敏度和傳感信號的穩(wěn)定性。

圖2 基于能量守恒和經(jīng)典彎矩理論的傳感器機械結構優(yōu)化

作者用FDM（熔融沉積成形）3D打印工藝制備出聚乳酸基板作為成形模具，然后在表面旋涂一定厚度的PDMS（聚二甲基硅氧烷），將制備好的碳納米管/去離子水溶液涂敷在傳感器根部的圓錐面上，再在傳感器底部固定若干碳納米管圓環(huán)，采用五點封裝法對傳感器進行封裝，如圖3所示。

圖3 五點封裝的可伸縮應變傳感器單元結構示意圖

對于制備好的傳感器，將傳感器根部依據(jù)應變情況劃分為四個區(qū)域（圖4）：拉伸區(qū)（�。�、壓縮區(qū)（ⅲ）、混合區(qū)（ⅱ、ⅳ）。作者測試了四個區(qū)域在傳感器棒狀部分產(chǎn)生不同彎曲角度時的電阻值，驗證了該傳感器的壓阻效應。為了獲得傳感器的耐久性和穩(wěn)定性特征，進行了傳感器拉伸、壓縮區(qū)域的應力循環(huán)加載實驗，如圖5。

圖4 傳感器發(fā)生不同角度彎曲時四個區(qū)域對應的歸一化電阻值（R為產(chǎn)生應變后的電阻，R0為不發(fā)生彎曲時的電阻）

圖5傳感器的循環(huán)應變加載實驗

作者在不同流速的氮氣氣流中檢測了傳感器的電阻變化（圖6），結果顯示氮氣流速從1m/s增加到11m/s，歸一化電阻變?yōu)樵瓉淼?0倍左右，說明傳感器具有較大量程和良好的靈敏度。

圖6 不同氮氣流速下傳感器的歸一化電阻

該傳感器易于集成并可用于檢測多重應變和微流體的流動，還可以監(jiān)測包括流速、阻尼振動、準靜態(tài)力平衡和流動狀態(tài)等復雜流動的細節(jié)。使用3D打印和溶液基體材料可以實現(xiàn)成本控制和傳感器的規(guī)模應用，該三維結構可伸縮傳感器的概念和相關設計原理也為探索人工電子皮膚和柔性電子設備開辟了道路。
參考文獻
L.F. Wang, J. Sun, X.L. Yu, Y. Shi, X.G. Zhu, L.Y. Cheng, H.H. Liang, B. Yan, L.J. Guo, Enhancement in mechanical properties of selectively laser-melted AlSi10Mg aluminum alloys by T6-like heat treatment, Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing 734 (2018) 299-310.Liu Z , Qi D , Leow W R , et al. 3D‐Structured Stretchable Strain Sensors for Out‐of‐Plane Force Detection[J]. Advanced Materials, 2018:e1707285.

供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室