超靈敏、能同時檢測多種應變的柔性時域反射式傳感器

柔性、可穿戴的傳感器是實現人機交互的核心元件。人的皮膚可以實現對不同種類應變(如彎曲、壓縮、拉伸和扭轉)位置和大小的精準感受,然而目前的電子傳感器仍難以達到這一水平。盡管將單點式傳感器排列成陣列可以提供較好的位置和強度感應,但是密集陣列的制備更為復雜,並且易損壞。纖維基傳感器的出現簡化瞭傳感器的制備工藝,但是由於在同一時間檢測的物理信號(電阻、光強等)單一,仍無法實現對多種應變模式的同時檢測。

電時域反射式傳感器同時具有檢測應變位置和種類的能力。其工作原理是基於傳輸線內阻抗不匹配會引起信號脈沖的反射和波形變化,通過檢測反射脈沖的傳輸時間和變化,就可以判斷應變的位置和類型。然而傳統的電時域反射是傳感器都是基於硬導體傳輸線制備的,較差的應變性使其無法用於柔性傳感器的制備,並且降低瞭傳感器對應變大小的感應能力。

近日,瑞士洛桑聯邦理工學院的Fabien Sorin團隊采用室溫液態金屬Ga-In-Sn作為導體,SEBS彈性體作為介電外殼,構建瞭一種新型柔性傳輸線,該傳輸線可通過簡單的熱拉伸工藝大規模制備。理論和實驗研究表明,當用作時域反射式傳感器時,液態金屬傳輸線可提供200倍於傳統金屬傳輸線的應變感應靈敏度,其應力分辨率達到瞭0.2 N,應變位置感應誤差小於6 cm。此外,該傳感器還可感知拉伸應變和扭轉應變。為說明該傳輸線在柔性傳感器中的應用,傳輸線被集成到50 50 cm2的可拉伸織物上,並在拉伸狀態下同時檢測多個位點的壓力。

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柔性傳輸線的制備

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圖 1 柔性傳輸線的制備工藝及結構

通過熱拉伸工藝,可以制備具有復雜截面結構的傳輸線。該工藝包含瞭前驅體的熱壓成型和前驅體熱拉伸成纖維兩個步驟。為保證加工過程中截面形狀不發生改變,具有較高流動粘性的SEBS彈性體被選為介電外殼。通過熱壓成型,先制備出具有指定截面結構後的前驅體,然後再通過拉伸設備拉伸成纖維。根據孔徑大小,液態金屬Ga-In-Sn既可在拉伸過程中註入,也可在拉伸後註入。這一工藝最為突出的優點是可以保持在長軸上傳輸線截面形狀的不變性,該特性對提高傳輸線靈敏度至關重要。為對比傳感性能,作者采用相同工藝制備瞭以銅為傳導材料的傳輸線。

作為時域反射式傳感器的特性

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圖 2 時域反射傳感器的設置和傳輸線性能評估

為探究最適合用於制備時域反射傳感器的傳輸線結構,作者首先采用雙線、三角和同軸結構(圖1b)的液態金屬傳輸線構建瞭標準的時域反射傳感器,分別采集瞭不同長度(1 – 5 m)傳輸線自由狀態下對應的波形,並從中得出瞭液態金屬傳輸線的特征阻抗為89 6 ,信號在傳輸線中的傳輸速度為1.95 108 m/s。

為保證壓力傳感不受外部介電環境變化的影響,傳輸線被浸泡在不同相對介電常數的液體中(乙醇和水),進行測試(圖2c)。測試結果表明三角和同軸結構均具有良好的屏蔽效率,因三角結構更為簡單,所以三角結構更適合用於制備傳輸線。

為闡述導線材料對傳輸線特性的影響以及校準液態金屬傳輸線的基線,作者進一步對比瞭液態金屬和銅傳輸線在不同頻率下的信號衰減系數。研究結果表明,由於液態金屬的電導率(3.3 106 S/m)比銅(5.8 107 S/m)要低,因此信號衰減更為嚴重,並且隨著信號頻率升高,信號衰減加劇(圖2f),為抑制頻率依賴性衰減給信號帶來的失真,最有效的辦法是采用具有高特征阻抗的三角結構傳輸線。

傳感器對多位點應變和不同種類應變的響應

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圖 3 傳輸線的點位點及多位點壓力測試

為探究基於液態金屬傳輸線的時域反射式傳感器對壓力的響應特性,作者采用1 m長的傳輸線作為模型,分別在同一點位施加不同大小的壓力或在不同點位施加相同大小的壓力,並於具有相同結構的銅傳輸線進行對比。理論和試驗結果表明,液態金屬超低的彈性模量使其對應力具有更靈敏的相應特性,液態金屬傳輸線對應力大小的響應為20 mV/N,而銅傳輸線僅為0.1 mV/N(圖3a)。根據反射信號傳輸回示波器的時間,可以判斷壓力位點距起始端的相對距離。當示波器對時間的分辨率為 0.6 ns時,傳感器的誤差可達 1 cm(圖3d)。

經過簡單的處理,傳感器同樣可以探測多個位點的壓力信號(圖3f)。能夠探測的信號數量上線取決於輸入電壓的大小和示波器的電壓分辨率,對於分辨率為4 mV的示波器,當輸入電壓為500 mV時,可探測的信號上限為125個。多位點信號探測的分辨率則具有距離依賴性,當壓力位點距起始端越遠,信號的分辨率越差(圖3h)。

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圖 4 傳輸線拉伸感應測試

對於1 m長的傳輸線,在0 – 100%的應變范圍內,信號傳輸速度和特征阻抗均保持恒定,其力-電遲滯可以忽略。因而當傳輸線整體均勻拉伸時,信號反射回來的時間變長,利用這一特性,可以探測傳輸線的整體拉伸(圖3a),其應變感應誤差僅為0.25%(當示波器時間分辨率為25 ps時)。然而也是由於上述特性,傳感器無法感應局部拉伸的作用位點(局部拉伸不會在傳輸線中產生阻抗不匹配)。為解決這一問題,可以等間距施加應力,將傳感器劃分成不同區域,人為制造阻抗不匹配,以此來判斷拉伸發生的區域(圖4c)。

作為輔助傳感模式,作者還探討瞭扭轉和彎曲對傳感器的影響。當每米的扭轉圈數達到100時,由於明顯的拉伸應變,傳感器的反射信號會像正方向偏移。但由於彎曲無法產生足夠的應變,因而無法被準確探測。

基於柔性傳輸線的織物傳感器

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圖 5 基於柔性時域反射式傳感器的電子織物

通過將10 m長的柔性傳輸線以蛇形線佈局整合至可拉伸織物,作者制備瞭可同時探測多位點壓力和整體拉伸信號的柔性織物傳感器,其感應面積達50 50 cm2。結合可視化界面,該傳感器可清晰地反應壓力的位點和大小。當對織物施加軸向拉伸時,通過簡單的算法,傳感器可同時給出準確的壓力的和拉伸力的信息。

總結與展望

本文提供瞭一種簡單的液態金屬基柔性傳輸線的制備方法,並且通過控制傳輸線的截面結構,可輕松調整傳輸線的特征阻抗、屏蔽性和信號損耗。該傳輸線可用於柔性、大面積的時域反射式傳感器的制備,並提供超高的靈敏度、高柔性和多位點、多種類應力/應變傳感,因而在電子織物、可穿戴設備和機器人皮膚領域有廣泛的應用前景。

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