传感器变形:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!

2021/11/03 14:25 · 传感器知识资讯 ·  · 传感器变形:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!已关闭评论
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传感器变形:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!传感器是现代智能生活的基础,手机、可穿戴装备、电动车、智能家居……几乎一切智能设备都离不开传感器。其中,一切和接触、力度相关的场合,都需要用到压力传感器,比如智能手机的压力

传感器变形:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!  第1张

传感器变形:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!

  传感器是现代智能生活的基础,手机、可穿戴装备、电动车、智能家居……几乎一切智能设备都离不开传感器。其中,一切和接触、力度相关的场合,都需要用到压力传感器,比如智能手机的压力屏,内部就遍布压力传感器。
  压力传感在智能领域发挥着极大的作用,但问题在于,物体在受压,弯曲或者变形后,其内置的压力传感器准确率会急剧下降,这也就让压力传感器的使用范围大幅降低。比如说,为什么一直没有可以称体重的智能鞋子?为什么汽车的桌椅不能自动贴合人的身体?
  原因都在于压力传感器无法在这类容易弯曲形变的场合工作。这个问题已经困惑了科学家和产品设计师多年,直到最近,情况才发生改变——用纳米纤维编织,再通过喷涂有机硅材料,就可以生产出柔性压力传感器。柔性传感器在弯曲和变形后,准确性依然较高,给智能设备的设计思路带来极大的冲击。
  柔性压力传感器是一种用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件,能贴附于各种不规则物体表面,在医疗健康、机器人、生物力学等领域有着广泛的应用前景。随着科学技术的发展,柔性压力传感器能否兼具柔韧性和准确测量压力分布信息等功能成为人们关注的焦点。由于微结构不仅能够提高传感器的灵敏度,还能更快地恢复传感器的弹性形变,具备快速响应能力。
  因此,构建微结构是提高柔性压力传感器综合性能的有效途径,成为学术界和工业界的关注重点。科研团队巧妙利用聚合物胶体微球自组装阵列作为模板,通过两步复制制备了具有微凸点阵列的柔性基底。相对于传统光刻技术制备微结构硅模板的方法,该研究采用的全化学法无需依赖昂贵的光刻设备及复杂的光刻工艺,具有制备工艺简单、成本低,可通过胶体微球粒径的选择来调控柔性基底微凸点的尺寸等优势。所制柔性压力传感器具有高灵敏度、快速的响应时间和良好的稳定性,对低压段压力具有较强灵敏性等特点。
  柔性压力传感器的神奇在于,当一个软物体压在另一个软物体上时,还能准确反应出压力。可以说,目前的压力传感器都是僵硬、固化的,而柔性压力传感器则具有弹性、柔软灵活的特点,拥有更广泛的应用场景。比如说,这种传感器可以集成到汽车的座椅上,只要司机上车,系统就能感知到司机的身高、体重、并计算出司机的视野范围,然后自动调整后视镜和座椅的角度、高度,以达到最佳的驾驶位置以及较好的舒适度。
  同时,汽车内的安全气囊也会自动调整角度,在突发情况时能更好地保护司机。再比如说,把柔性传感器集成在鞋子里,不只可以检测体重,还能感知你跑步时发力的姿势是否正确、攀岩时是否很好地掌握了身体的平衡。此外,它还能被集成在高尔夫球杆上,这样,你抓球杆的方法是否对,挥杆的动作是否存在变形,尽在系统掌握中。或许,以后的高尔夫球教练可以藏在你的手机里实时指挥你打球。
  不仅是在智能设备上可以大放异彩,在健康检测方面,柔性传感器也有用武之地。比如说,目前的智能手表要检测人的心跳,只能通过光学穿透皮肤来检测。而使用柔性传感器制作的血流探测仪,可以紧贴皮肤工作,实时探测皮肤表层的血液流动,即使是人在剧烈运动中也可以准确探测。
  在医疗上,乳腺癌欠缺简单快速的检查方法,而使用了压力传感器制作的手套,医生就可以通过它发现乳腺中细微的压力变化,从而能更快地判断人的健康情况。同时,设计师也可以把这种传感器集成在人的皮带上,当用户越吃越多时,皮带就会感知,并实时提示,这种皮带也可以作为健身效果的检测器,持续对用户的体形进行监测,再结合智能程序,作出“量身定制”的健身建议。
传感器变形:【传感器入门】你想不到的柔性传感器应用!  第2张

传感器变形:一种基于多个拉线式位移传感器监测滑坡变形参数的装置


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权利要求说明书
说明书
幅图
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一种基于多个拉线式位移传感器监测滑坡变形参数的装置
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本实用新型公开了一种基于多个拉线式位
移传感器监测滑坡变形参数的装置,是由拉线、
拉线式位移传感器、无线传输模块、接收主机、
接收终端、
T
型掏槽、拉线固定螺丝、传感器固
定支座、固定支架和防护网组成。两处高程分别
设置两个拉线式位移传感器,位于滑坡稳定端的
T
型掏槽内,引出的拉线水平并呈大角度相交,
分别通过拉线固定螺丝固定在滑坡滑移端。在防
护网上的传感器固定支座上设置拉线式位移传感
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传感器变形:拉伸传感器

拉伸感受器
拉伸感受器 拉伸感受器是对各种器官和肌肉的扩张有反应的机械感受器,并且在神经学上通过传入神经纤维与脑干中的髓质相连。例子包括手臂和腿部肌肉和肌腱、心脏、结肠壁和肺中的拉伸感受器。 在颈动脉周围也发现了拉伸受体,它们在那里监测血压并刺激垂体后叶释放抗利尿激素(ADH)。 类型包括: 高尔基体 肌梭,肌...
传感器
传感器 在最广义的定义中,传感器是一种设备、模块、机器或子系统,其目的是检测环境中的事件或变化并将信息发送到其他电子设备,通常是计算机处理器。传感器始终与其他电子设备一起使用。 传感器还用于日常物品中,例如触摸感应式电梯按钮(触觉传感器)和通过触摸底座而变暗或变亮的灯,以及大多数人从未意识到的无数应...
视觉传感器网络
视觉传感器网络 视觉传感器网络是在空间上分布的网络智能相机能够处理和从各种观点考虑成某种形式比单独的图像更加有用的融合场景的图像的装置。视觉传感器网络可能是一种无线传感器网络,后者的许多理论和应用都适用于前者。该网络通常由具有某些本地图像处理,通信和存储功能的摄像机本身以及可能的一台或多台中央计算机...
轮速传感器
轮速传感器 轮速传感器(VSS)是一种类型的转速表。它是用于读取车轮旋转速度的发送器设备。它通常由齿环和拾音器组成。 汽车车轮速度传感器 目的 车轮速度传感器最初用于替换从车轮到速度计的机械连杆,从而消除了电缆断裂,并通过消除了运动部件来简化了仪表的结构。这些传感器还产生数据,使自动驾驶辅助系统(如...

传感器变形:极端制造 | 柔软可变形传感器在曲面上的保形制造

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作者
张婉清#,张玲#,廖亚斌,程寰宇*
# 共同第一作者
* 通讯作者
单位
美国宾夕法尼亚州立大学
英国格拉斯哥大学
哈尔滨工业大学
引用
Zhang W Q, Zhang L, Liao Y B, Cheng H Y. Conformal manufacturing of soft deformable sensors on the curved surface. Int. J. Extrem. Manuf.3, (2021).
阅读全文
01
文章导读
随着人们对柔软可变形传感器及其设备需求的不断增长,3D曲面的电子系统集成开始迅速发展。其可应用于生物集成设备,结构健康监测和3D多功能电子设备等。同时,其在复杂形状或者柔软,有层次结构,甚至可动态变化表面的制作与集成问题也受到广泛关注。为解决这一问题,科研人员通过研究各种可拉伸结构将电子产品集成到3D曲线表面上。此外,对新型纳米材料及其复合材料的探索进一步扩展了所制造器件的功能性。目前,基于保形电子器件的可拉伸结构与功能纳米材料已经有了广泛且详细的讨论,然而对复杂表面上的保形制造技术的全面概括仍是非常需要的。近期,宾夕法尼亚州立大学张婉清,张玲博士生,廖亚斌教授,程寰宇教授在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《柔软可变形传感器在曲面上的保形制造》的综述,对目前先进的转印技术,直接保形印刷技术和其他新颖制造技术进行了全面的分析,对保形电子产品的最新发展进行了讨论。最后,作者提出了保形制造中的现有挑战和对其未来发展做出了进一步的展望。图1展示了基于曲面的柔软可变形设备的保形制造的最新进展。
图1柔软可变形传感器在曲面上的保形制造, 经许可转载,版权所有71-74 17, 75-77。
02
研究背景
各种制造技术,例如接触印刷,纳米压印术和电子束曝光,已经被广泛应用于在2D平面基底上制造传感器和电子设备。但是由于平面制造的局限性,这些固有平面制造技术并不能直接应用在3D曲面上制造保形器件。科研人员们探索了各种可拉伸结构和新型纳米材料及其复合材料来解决这一挑战。在保形电子器件的制造过程中,常用的可拉伸结构包括波浪形几何形状,应变隔离,丝状蛇纹石形或网状设计,螺旋线圈和折纸式样。通过结合可拉伸结构与先进的转印技术,平面制造方法可以实现在复杂表面上的器件制造。广泛使用的纳米材料包括金属纳米线,碳纳米管,石墨烯,液态金属合金和有机薄膜。通过结合功能性纳米材料,各种直接印刷技术和书写方法相继提出,可用于复杂曲面上保形电子器件的制造。
03
最新进展
基于柔软可变形传感器的保形制造技术最新进展主要分为三个部分:转印技术,直接印刷技术和其他新颖技术如书写方法。在每个部分中,作者对其代表性方法和应用展开了详细讨论,对各个方法的优点和局限性进行了总结。
转印技术
转印技术通过将在平面基底上制备的微/纳米级薄膜器件集成到目标基底表面上,实现了通过使用平面制造技术在复杂3D曲面上进行保形电子器件的制造。通常来讲,这些转印技术操作简单并且具有相对较高的产率。图2,3,4,5分别展示了滚压印花,基于Cartan原理的转印,纳米转印和水转印。
图2使用充气的弹性气球作为保形图章的滚压印花技术,经许可转载,版权所有71. (a) 示意图展示了使用充气的弹性气球作为保形图章的转印流程。(b) 蛇纹石金属网状结构在不同弯曲曲面的应用。(c) Si颗粒阵列通过滚压印花被印刷在半球形外壳上。
图3可将大面积的纹身状电极从可弯曲的布料供体基板转移到不可展曲面的Cartan转印技术,经许可转载,版权所有72. (a) Cartan转印技术原理图图及其 (b) 操作流程图。(c) 使用Cartan转印和直接印刷术制作的图案的对比。(d) 转印结果展示。
图4基于智能水凝胶粘合剂的纳米转印技术,经许可转载,版权所有73. (a) 水凝胶示意图及其 (b) 可逆水合过程和脱水过程。(c) 脱水过程中,水凝胶由于水和作用引起的自发弯曲和重新平展过程。(d) 纳米转印技术在可穿戴电子器件上的应用及其 (e) 测试结果。
图5水转印. (a,b) 使用水转印技术在弯曲电介质表面制造频率选择面,(a,b) 经许可转载,版权所有74。(c,d) 在基材边缘使用刚性薄膜导向装置来避免转印过程中的折叠问题,(c,d) 经许可转载,版权所有106。
直接印刷技术
直接印刷技术解决了转印术由于需要多个转印步骤以及制造过程中发生不可避免的形变而导致的效率有限问题。图6,7,8展示了五轴印刷系统,实时电动直接印刷和立体光刻造型。
图6五轴印刷系统.(a) 五轴印刷设备示意图及其 (b) 3D表面转换至2D三角形面片的原理图。(c) 具有阵列式喷嘴的五轴印刷设备示意图。(d) 在印刷过程,由于气流导致的油墨漂移现象。(e) 制造的天线阵列展示图,(c-e) 经许可转载,版权所有75。
图7实时电动直接印刷。(a,b) 在自由移动的手上直接制造保形电子器件,(a,b)经许可转载,版权所有76。(c,d,e) 在器官表面直接制造电阻抗断层扫描传感器,(c,d,e) 经许可转载,版权所有128。
图8基于立体光刻造型的直接印刷技术。(a-c) 与逐层软成型工艺相结合的保形直接印刷技术,(a-c) 经许可转载,版权所129。(d-f) 基于投影立体光刻的保形3D打印技术,(d-f)经许可转载,版权所有77。
其他先进制造方法
除转印术和直接印刷技术,还有其他可适用于复杂曲面的保形器件制造方法,比如喷涂镀膜和画写式皮肤电子产品。这些新颖的保形制造技术可以增强电子器件与目标界面的粘合力,并且易于操作。图9展示了运用书写工具如铅笔和纸完成制造的皮肤电子设备。图10展示了使用新型烧结辅助薄层在皮肤上直接制造的传感器。
图9皮肤电子产品的制造。(a,b) 使用功能墨水制造的皮肤电子产品,(a,b) 经许可转载,版权所有136。(c-e) 使用纸笔制造的皮肤电子产品,(c-e) 经许可转载,版权所有139。
图10室温烧结检测人体健康的可穿戴设备的制造,经许可转载,版权所有17。(a-c) 柔性人体传感器网络的概念设计以及测试结果。(d) 能够通过撕或温水清洗的方法方便去除。
04
未来展望
从基于复杂3D表面的保形电子产品制造技术的最新进展来看,未来的研究应关注以下几个方面。1) 在转印期间,将2D表面上的设计图案与曲面上的设计图案相关联仍然具有挑战性。基于拓扑方法和共性映射理论的自由形式周期性超颖表面的计算框架值得被探索。2) 尽管已经有各种油墨用于保形电子产品的直接印刷,但是目前还有尚多纳米材料未被研究。3) 挑战还存在于如何实现柔软可变形传感器与弯曲表面之间的牢固粘合。此外,4) 用于保形瞬态电子器件的一系列功能可降解材料也值得被探索。
05
作者简介
程寰宇,美国宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学(ESM)和材料研究所(MRI)助理教授,并被授予多萝西·奎格尔职业发展教授。主要研究方向包括可穿戴柔性电子设备等,上榜2017年‘福布斯30under30’榜单。在多学科期刊(Nature, Science, Nature Materials, Nature Communications, Proceedings of National Academy of Sciences USA)等档案期刊上发表论文70余篇,发表国际核心期刊论文55篇,发表受邀报告60余次,担任40多个国际知名期刊审稿人。国际期刊Computers in Biology and Medicine和Informatics in Medicine Unlocked的副主编。
用于转印的热驱动可逆干粘附研究
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专题文章
“极小尺度极端微纳制造”
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2019-03
2019-02
2019-01
【关于期刊】
《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM),致力于发表极端制造相关领域的高质量最新研究成果,文章形式主要为原创性和综述性文章。目前该刊共设五大栏目:极端制造能场与材料相互作用、极端制造加工技术与理论、极端制造测量与表征、极端性能装备及系统的设计及研发、极端物理条件产生装置的制造。IJEM现已被ESCI、EI、Scopus、CAS、ProQuest、JST、J-Gate、CNKI、INSPEC、DOAJ等数据库收录。入选《机械工程领域高质量科技期刊分级目录》T2级。
投稿IJEM,将为您提供
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