哈佛大学Advanced Materials Technologies：新型柔性电容传感器-可准确监测人体细微运动

【引言】

本文介绍了用于人体关节检测，软机器人和外骨骼的高度可拉伸的纺织-硅胶电容传感器的设计和批量制造。所提出的传感器由导电编织织物制成，作为电极和有机硅弹性体作为电介质。批量生产技术能够生产大型传感器垫和传感器的任意成形，这通过传感器垫的激光切割精确实现。单个电容传感器具有高线性度，低滞后性和规格系数。通过将微同轴电缆的细丝与热塑性薄膜的传感器的导电织物电极熔合，来建立符合标准，低调和坚固的电气连接。电容传感器集成在重建手套上，用于监控手指运动。

【成果简介】

近日，美国哈佛大学Conor J. Walsh（通讯作者）课题组制备出一种高度灵敏的柔性电容传感器，发表在Advanced Materials Technologies的“Batch Fabrication of Customizable Silicone-Textile Composite Capacitive Strain Sensors for Human Motion Tracking”的文章。该研究团队将导电针织物与硅胶结合在一起，以基于批量层的生产方法制造我们的传感器。将硅氧烷膜作为电介质层浇铸固化。然后通过施加较薄的硅树脂铸件将导电织物粘附到每个表面上，通过辊施加压力将织物施加在表面上产生了完整的传感器片，然后可以使用激光精确地切割任意形状的传感器。另一个优点是从相同的片材切割出的相同的传感器可以具有一致的基线电容值。激光切割工艺还在导电织物边缘处引导纤维，防止电极短路。

图1 导电编织织物和硅氧烷弹性体的电介质层构造电极可扩展的批量制造工艺

（a）复合纺织硅胶传感器的制造工艺示意图：（i）介电硅胶铸造。（ii）通过有机硅弹性体铸造粘合织物电极。（iii）放置磁带屏蔽和激光切割传感器。（iv）使用即时粘合剂和热膜在同轴电缆和织物电极之间创建永久电连接。（v）传感器和材料层的3D图示。

（b）通过激光切割对传感器进行任意整形的示意图；

（c，d）传感器的照片，说明在≈0和100％应变下应用拉伸；

图2 电容式传感器的力学，电学性能表征

（a）导电织物和硅树脂的面积变化的代表性草图；

（b）导电织物和硅树脂应变的函数的面积变化；

（c）导电织物和硅树脂的塑性变形百分比；

（d）电容式传感器的机电测试设置和截面图；

（e）三角循环应变时传感器电容相对变化为0.11 Hz时的100％；

（f）作为施加的应变间隔的函数的传感器的相对电容变化。

图3 电容式传感器的电化学性能测试

（a）作为施加应变的函数的20次循环的相对电容变化；

（b）相对电容变化作为25,50,75和100％应变水平的循环次数的函数；

（c）纺织硅酮复合传感器在24 mm s^-1的速度下施加外部阶梯状增加应变载荷时的时间响应；

（d）频率扫描测试：传感器拉伸到10％应变时，频率从1 Hz增加到30 Hz。

图4 感应手套的性能测试

（a）感应手套的照片；

（b）电缆布线和应力消除由叠加的热敏膜提供；

（c）传感器放置和集成示意图：（i）使用硅胶粘合剂连接传感器和（ii）带有粘附热膜的传感器；

（d）手指运动时手指的电容输出。

【小结】

该研究团队开发了可定制的可拉伸纺织硅胶复合电容式传感器，用于监测人体关节。使用组合制造大型传感器片材和激光切割的批量制造工艺，展示了可以轻松创建具有一致属性或任意形状的传感器的方法。导电织物结构的网络提供了坚固可靠的电极，并且复合材料产生了良好的机械性能。虽然GF的增加是最小的，但是这项研究证明，通过优化传感器结构，可以超越由介电弹性体的泊松比引起的理论GF限制。通过利用具有负泊松比的组成材料来完成，并且可以通过设计辅助传感器结构进一步改进。研究结果表明，传感器表现出高线性度和低滞后，当拉伸到100％应变，响应时间快。为了对应用进行可靠的测量，分辨率是与传感器和数字测量设备相关的重要规范。未来的工作将涉及表征传感器性能，如果传感器与定制或现成的嵌入式电子元件结合可穿戴应用。最后，展示了这种简单的传感器系统非常便于整合在服装上，用于监测人体活动。这种类型的软应变传感器适用于集成到软机器人以及可穿戴机器人中，以协助移动和抓握。

文献链接：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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