如何利用简单且经济的制造工艺实现双面织物应变传感器阵列呢？

电子纺织品可以提供具有各种电气功能的绝缘柔性基底，并已广泛应用于能量采集、医疗康复、人体运动检测和人机交互等领域。虽然单个织物传感器可以在可穿戴应用中实现超高性能，但不足以准确检测人体的空间压力/触摸/应变分布。此外，当单个传感器损坏时，可穿戴设备将无法运行。当多个传感器在阵列中并联连接时，即使其中一个传感器损坏，也可以保持设备的整体功能。因此，织物传感器阵列的设计和制造非常重要。

据麦姆斯咨询报道，近期，香港理工大学和华南理工大学的研究人员通过使用单一导电复合浆料印刷传感区域和互连，在弹性织物基底上制备了一种双面应变传感器阵列。通过控制印刷浆料的粘度，除特定位置的通孔之外，多孔织物两侧的导电轨道都被绝缘。通过使用简单且经济的方法进行制造，这种织物应变传感器阵列表现出较好的一致性、可靠的连接接口、足够的环境稳定性和较长的疲劳寿命（～10,000次循环载荷）。相关研究成果以“A novel double-sided fabric strain sensor array fabricated with a facile and cost-effective process”为题发表在Sensors and Actuators A: Physical期刊上。

在这项研究中，通过在织物的每一侧印刷炭黑硅弹性体（CB-SE）复合材料，并通过填充相同复合材料的通孔连接两侧，制备了双面织物基应变传感器阵列（FSSA）。该传感器阵列的尺寸被设计为约15 cm长和11 cm宽，每个传感器的水平距离为9 mm，垂直距离为20 mm， 上、下互连的尺寸均为14 cm长和1.5 cm宽。

织物传感器单元和传感器阵列的设计

该传感器阵列的制造过程如下图所示，包括（a）印刷顶部导电图案；（b）印刷底部导电图案；（c）穿过两层打孔；（d）在顶层和底层分别用复合材料填充孔；（e）在传感器阵列的两侧印刷封装层；（f）安装用于外部电气连接的金属按钮。

双面织物应变传感器阵列的制造过程

为了检验FSSA设计的合理性，有必要对传感器单元的性能、双层电路的绝缘和连接测试以及FSSA在循环应变下的一致性和稳定性进行评估。实验结果表明，所得织物传感阵列表现出高性能、优异的一致性、层与层之间稳定的连接以及超过10,000次循环应变的超长疲劳寿命。

传感器的性能测试

双层电路的绝缘和连接测试

FSSA的一致性和稳定性测试

将FSSA安装在膝盖上，以检测膝盖弯曲运动的动态响应。结果表明，FSSA具有动态监测和实时绘制身体运动应变空间分布的能力，可用于运动员成绩评估和下一代康复，优于单一传感器。

FSSA的应用

总而言之，研究人员采用单一导电材料印刷工艺来制造基于织物的双面应变传感器阵列，在传感区域和互连之间具有可靠的接口。通过控制印刷浆料的黏度，制作双面可拉伸电路，实现双面之间的绝缘和连接，确保器件具有可靠的跨层连接和绝缘。所得织物传感阵列表现出高性能、优异的一致性、层与层之间稳定的连接以及超过10,000次循环应变的超长疲劳寿命。研究人员提出了一种具有较低串扰误差（小于1%）和电路复杂度的GND连接电阻矩阵方法来获取织物应变传感器阵列的电阻信号，从而解决了从传感单元到硬互连的接口连接问题，并为可拉伸多层电路的设计提供了参考。

在未来的工作中，研究人员将进一步降低互连电阻和器件尺寸。这项工作基于一种材料印刷的生产方法，其中互连需要大面积，而传感区域需要大的纵横比来满足生产要求，导致器件面积很大。高密度和高精度传感器阵列在可穿戴应用中很受欢迎。该研究仅考虑了器件的二维（2D）尺寸，因此难以进一步降低互连电阻和器件尺寸。在未来的研究中，将研究长宽高比，以减小器件的面积，实现大规模的传感器阵列。

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

 

 

 

审核编辑：刘清