基于面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)、超彈性模型主動設(shè)計(jì)的柔性壓力傳感器

來源：MEMS

近期，廈門大學(xué)吳德志教授、王凌云教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京控制工程研究所的研究人員共同提出一種采用超彈性模型和赫茲接觸模型進(jìn)行對比的主動設(shè)計(jì)策略，以開發(fā)具有高度可定制靈敏度和線性度的柔性壓力傳感器?；谠搨鞲衅鲀?yōu)越的機(jī)電性能，展示了其在生理信號識別方面的潛在應(yīng)用。該設(shè)計(jì)策略將為下一代可穿戴設(shè)備等應(yīng)用場景提供更多可定制的工作范圍和線性靈敏度。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

a）本研究開發(fā)的靈敏度和線性度可定制的傳感器設(shè)計(jì)概念；b）基于微結(jié)構(gòu)的傳感器工作機(jī)理；c）基于面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（光學(xué)精度10μm），實(shí)現(xiàn)多級突起主動設(shè)計(jì)

觸覺壓力傳感器在柔性電子產(chǎn)品中具有重要意義，具有多尺度層次特性的不規(guī)則微結(jié)構(gòu)被動設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)有壓連續(xù)變形提供了最佳解決方案。以往，已有研究人員將轉(zhuǎn)印的自然界微結(jié)構(gòu)模板（例如花粉?；蚧ò?、人體皮膚、砂紙、kirigami圖案）或MEMS制造的人工圖案用于制造壓阻式傳感器的有源層。不過，這種被動設(shè)計(jì)策略缺乏基于基本接觸原則或模型的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致目標(biāo)性能受限，使得在所需的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高度可定制的靈敏度和線性度仍然是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為此，以主動而非被動的方法來定制微結(jié)構(gòu)，有望從根本上解決這個(gè)問題，通過適當(dāng)?shù)睦碚撚?jì)算，可以進(jìn)一步明確微結(jié)構(gòu)的形態(tài)和空間參數(shù)。

該項(xiàng)工作中，研究人員基于敏感材料超彈性力學(xué)特性，提出一種新的微結(jié)構(gòu)主動設(shè)計(jì)策略。與簡單地在超彈性材料上應(yīng)用赫茲接觸可能導(dǎo)致彈性接觸偏移不同，研究人員改進(jìn)的接觸理論模型可以參考相應(yīng)的有限元分析（FEA）仿真更精確地預(yù)測變形參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)微型傳感器的目標(biāo)設(shè)計(jì)和性能實(shí)現(xiàn)。

圖片a）帶有MWCNT/PDMS敏感薄膜的傳感器示意圖；b）柔性壓力傳感器的制造工藝：c）多級突起的3D表面掃描圖像；d）具有不同靈敏度的靈敏度定制層SEM圖像

研究人員設(shè)計(jì)制備了三個(gè)傳感器原型，這些傳感器原型在預(yù)定的工作范圍（約200 kPa）內(nèi)表現(xiàn)出高度可定制的靈敏度（0.7、1.0和1.3 kPa⁻1）和高線性度（R₂≈0.99），特別是在預(yù)定壓力下具有明顯的抗飽和補(bǔ)償。此外，傳感器原型還具有12.5/37.5 ms的快速響應(yīng)/釋放時(shí)間、35 Pa的微小檢測限（LOD）以及超過10000次重復(fù)加載/卸載循環(huán)的良好可重復(fù)性。這種直接、主動的設(shè)計(jì)理念將賦能更多以需求為導(dǎo)向的應(yīng)用場景（包括可定制的工作范圍和線性靈敏度）。

圖片a–c）Δ I/I0與施加壓力（范圍為0~200 kPa）關(guān)系表明，基于超彈性機(jī)制的預(yù)制目標(biāo)靈敏度分別為0.7、1.0和1.3 kPa⁻1；d）半徑為300 μm的均勻微結(jié)構(gòu)傳感器的靈敏度性能；e）檢測限度；f）傳感器的響應(yīng)/釋放時(shí)間；g）−2~2 V電壓下的歐姆特性；h）10000次加載/卸載循環(huán)下的傳感可重用性

此外，研究人員成功展示了該柔性壓力傳感器在動態(tài)活動和手勢識別方面的潛在應(yīng)用，驗(yàn)證了通過這種主動的設(shè)計(jì)策略，可以靈活計(jì)算、預(yù)設(shè)計(jì)和制造具有所需靈敏度和線性度的柔性壓力傳感器。未來，基于該設(shè)計(jì)策略的柔性壓力傳感器有望通過機(jī)器學(xué)習(xí)成為人機(jī)交互的首選。

圖片a–b）下肢關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動時(shí)的生理信號變化；c）用于手勢信號識別的傳感器連接位置；d）五種測試手勢；e）基于微結(jié)構(gòu)的傳感器在執(zhí)行測試手勢時(shí)記錄的周期性電阻變化；f）由10倍機(jī)器學(xué)習(xí)得到的權(quán)重區(qū)分混淆矩陣，預(yù)測準(zhǔn)確率>86.0%；g）二元交叉熵?fù)p失用于評估損失函數(shù)有效性，插圖顯示了快速算法收斂下的預(yù)測精度

該研究獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目以及精密轉(zhuǎn)動和傳動機(jī)構(gòu)長壽命技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

摩方精密作為微納3D打印的先行者和領(lǐng)導(dǎo)者，擁有全球領(lǐng)先的超高精度打印系統(tǒng)，其面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)可應(yīng)用于精密電子器件、醫(yī)療器械、微流控、微機(jī)械等眾多科研領(lǐng)域。在三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)微加工領(lǐng)域，摩方團(tuán)隊(duì)擁有超過二十年的科研及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。針對客戶在新產(chǎn)品開發(fā)中可能出現(xiàn)的工藝和材料難題，摩方將持續(xù)提供簡易高效的技術(shù)支持方案。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-022-00477-w