供稿人：呂洋、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-05-20
近年來，柔性電子器件在可穿戴技術(shù)、人造皮膚、運(yùn)動監(jiān)測、能量收集和存儲系統(tǒng)、人機(jī)交互等廣泛應(yīng)用。目前，大多數(shù)柔性電子產(chǎn)品都是通過使用彈性體基板與剛性導(dǎo)電填料相結(jié)合來制造的。水凝膠由于優(yōu)異的機(jī)械性能以及與導(dǎo)電填料的高度相容性，被認(rèn)為是制造集成電路最有前途的材料。
隨著柔性電子器件的不斷進(jìn)步，不僅要滿足導(dǎo)電性和機(jī)械性能的要求，還要具備快速3D打印和耐蒸發(fā)性等能力。目前大多數(shù)基于擠出打印的水凝膠研究只能完成簡單的平面空心結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。還原光聚合技術(shù)的出現(xiàn)將克服了這些難題，但是仍然存在諸多挑戰(zhàn)：首先，光引發(fā)劑的選擇是一個關(guān)鍵因素。此外，還原光聚合3D打印水凝膠通常表現(xiàn)出較低的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致打印過程中脫落或破損并最終損壞。
為了克服水凝膠在還原光聚合中的使用挑戰(zhàn)，華南理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種UV固化水凝膠，實(shí)現(xiàn)了快速3D打印。在該設(shè)計(jì)中，基于頂點(diǎn)單元的晶格結(jié)構(gòu)顯著提高了基于水凝膠的電阻傳感器的壓力靈敏度。此外，高彈性水凝膠可以替代電容式傳感器介電層中的傳統(tǒng)彈性體。
圖1 各種晶格結(jié)構(gòu)的壓力傳感模擬
與傳統(tǒng)固體結(jié)構(gòu)相比，晶格結(jié)構(gòu)的密度大大降低，但其比強(qiáng)度和剛度較高，在低密度結(jié)構(gòu)中具有顯著的力學(xué)性能優(yōu)勢。因此，設(shè)計(jì)并采用了各種晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮應(yīng)變傳感。晶格結(jié)構(gòu)的多孔特性使水凝膠具有很強(qiáng)的可壓縮性。即使在超過90%的壓縮應(yīng)變下，水凝膠也表現(xiàn)出快速的可恢復(fù)性。水凝膠表現(xiàn)出穩(wěn)定、直觀和可重復(fù)的信號輸出，無論應(yīng)變是在微應(yīng)變范圍內(nèi)（<10%）還是在高達(dá)70%的大應(yīng)變壓縮期間，水凝膠的每個壓縮應(yīng)變都對應(yīng)于不同的傳感特性。此外，具有多孔晶格結(jié)構(gòu)的水凝膠在500%應(yīng)變下經(jīng)歷了50次壓縮循環(huán)，相對電阻變化沒有明顯的漂移，表明該傳感器器件具有出色的抗疲勞性和高可靠性。
圖2 水凝膠介電層在電容式傳感器中的應(yīng)用
水凝膠作為電阻傳感器不僅具有高靈敏度和寬感應(yīng)范圍，而且是電容式傳感器中介電層的優(yōu)秀候選者，從而為柔性傳感器的設(shè)計(jì)和制造提供了更多的選擇和可行性。
總體而言，這項(xiàng)研究為基于水凝膠的傳感器提供了新穎的3D打印材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用，從而為蓬勃發(fā)展的柔性電子市場提供了新的機(jī)遇，特別是在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域。