樱桃视频一区二区三区,日韩中文字幕不卡,日韩免费看,天天色天天日

技術(shù)文章您的位置:網(wǎng)站首頁(yè) >技術(shù)文章 >美國(guó)南加州大學(xué):受折紙啟發(fā),研發(fā)一種低滯后、高拉伸性應(yīng)變傳感器!

美國(guó)南加州大學(xué):受折紙啟發(fā),研發(fā)一種低滯后、高拉伸性應(yīng)變傳感器!

更新時(shí)間:2025-03-13   點(diǎn)擊次數(shù):5次

受到折紙從二維變?yōu)槿S的制作過(guò)程啟發(fā),南加州大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種可變形的非平行板三維電容應(yīng)變傳感器。這種非平行板電容應(yīng)變傳感器的制備過(guò)程非常巧妙,研究者首先在預(yù)拉伸的硅膠彈性基底上制備二維電極圖案,然后通過(guò)釋放預(yù)應(yīng)變讓基底恢復(fù)原長(zhǎng),從而將二維電極轉(zhuǎn)換為具有一定折疊角度的三維非平行電極板,從而為這種電容式的應(yīng)變傳感器提供了很大的可拉伸性、超低滯后性、高重復(fù)性、快速響應(yīng)時(shí)間以及小傳感器面積等優(yōu)勢(shì)。此外,的三維電極設(shè)計(jì)還支持壓縮應(yīng)變傳感和特定方向的應(yīng)變響應(yīng),這是不同于以往大多數(shù)基于可拉伸材料的柔性應(yīng)變傳感器的性質(zhì)。毫米級(jí)的小傳感面積還允許這種傳感器可以簡(jiǎn)單地粘附在軟體裝置上實(shí)現(xiàn)對(duì)它們形變的分布式測(cè)量。


圖1D展示了折紙結(jié)構(gòu)的電容式應(yīng)變傳感器制作工藝。首先制造一個(gè)平面多層結(jié)構(gòu),稱為二維前驅(qū)體。二維前驅(qū)體包括底部Parylene層(厚度5μm)、光刻圖案的金屬層(鉻/金,厚度25/200nm)和其上方的另一個(gè)Parylene層(厚度5μm)。對(duì)Parylene層進(jìn)行圖案和蝕刻形成了Parylene/金屬/Parylene圖案,定義了多面板電極和一對(duì)狹窄的(~100 μm)蛇形導(dǎo)線。這些蛇形導(dǎo)線作為電極和外部電子設(shè)備之間高度可伸縮的電互連結(jié)構(gòu)。厚(35至40 μm厚),可光定義環(huán)氧樹脂(SU-8 25)覆蓋頂部Parylene層,在四個(gè)圖案的矩形區(qū)域提供硬化。與未覆蓋的區(qū)域相比,該SU-8層的覆蓋范圍使彎曲剛度增加了大約130到175倍,從而形成了面板折痕結(jié)構(gòu)。連接兩個(gè)電極的Parylene/金屬/Parylene折痕中的狹縫設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低了折痕的彎曲剛度。通過(guò)暗板掩膜將Ti/SiO2雙層(15 nm/50 nm厚)沉積在二維前驅(qū)體的背面,形成與單軸預(yù)拉伸的彈性體襯底(Ecoflex 00-31)的共價(jià)鍵合位點(diǎn)。釋放預(yù)應(yīng)變會(huì)施加壓縮力,導(dǎo)致二維前驅(qū)體的未結(jié)合區(qū)域沿著狹縫發(fā)生屈曲。

這種傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)包括在三維組裝過(guò)程中施加的預(yù)應(yīng)變、電極尺寸和蛇形布局。預(yù)應(yīng)變決定了三維電極的折疊角度和結(jié)合位點(diǎn)之間的距離。有限元分析給出了二維前驅(qū)體組成材料的力學(xué)性能,可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)在組裝過(guò)程中從二維到三維的幾何轉(zhuǎn)換以及由此產(chǎn)生的三維電極的結(jié)構(gòu)。在由有限元分析預(yù)測(cè)的不同預(yù)應(yīng)變水平的代表性設(shè)計(jì)中,所得到的三維電極的形狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致(如圖2A)。電極的尺寸影響三維電極的初始電容和折疊/展開過(guò)程中電容的變化。在預(yù)應(yīng)變固定的情況下,電容隨電極寬度W和長(zhǎng)度L的增加而增加。有限元分析結(jié)果表明電極寬度呈線性趨勢(shì),但在折痕長(zhǎng)度固定的情況下,電極長(zhǎng)度超過(guò)一定值時(shí)斜率會(huì)變?。ㄈ鐖D2B和2C)。蛇形線提供可伸縮的電互連,采用110μm,線寬,900μm,長(zhǎng)180°的弧角設(shè)計(jì)。蛇形線的痕跡由于其在通道內(nèi)的平面外屈曲和扭曲,可以容納大的單軸拉伸而不斷裂。將金屬層放置在Parylene/金屬/Parylene三層平面上,也最小化了彎曲引起的應(yīng)變(如圖2D)。

可拉伸應(yīng)變傳感器可以測(cè)量相對(duì)較大的變形,研究人員展示了將它們用于軟機(jī)器人形狀和變形的感知測(cè)量。分布式應(yīng)變傳感器可以無(wú)縫集成到軟機(jī)器人表面,然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建的應(yīng)變分布測(cè)量,為軟機(jī)器人在任意環(huán)境設(shè)置下的本體感覺提供了一個(gè)解決方案。然而,具有高滯后滯或低拉伸能力的應(yīng)變傳感器可能會(huì)限制本體感覺能力。軟機(jī)器人本體感覺的另一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)軟機(jī)器人的多模態(tài)變形的分解,如拉伸/壓縮、彎曲、扭曲和剪切,這些變形可以同時(shí)存在。本文提出的電容傳感器中的三維角度電極可以隨著鍵接點(diǎn)方向的拉伸或壓縮而展開或折疊,分別導(dǎo)致電容的減少或增加(圖3B)。由于三維電極的不對(duì)稱結(jié)構(gòu),傳感器在不同角度的拉伸作用下,與傳感器帶的縱向方向表現(xiàn)出方向相關(guān)的電容變化。復(fù)雜的、不對(duì)稱的變形模式可以導(dǎo)致與面S1和面S2不同的傳感器響應(yīng)。彎曲臂在外表面產(chǎn)生顯著的拉伸應(yīng)變和內(nèi)表面的壓縮應(yīng)變都可以被傳感器所捕獲(如圖5C)。

研究者提出了將三維可折疊的非平行板電極與彈性基底集成到電容應(yīng)變傳感中的設(shè)計(jì)概念和方法。襯底的可拉伸性和電極的可逆折疊/展開使得傳感器具有了較大的應(yīng)變傳感范圍和最小的滯后。這些微型傳感器非常適合于粘貼在被測(cè)物體表面以精確測(cè)量目標(biāo)物體的局部變形。大拉伸性、小滯后性、快速響應(yīng)速度、定向應(yīng)變響應(yīng)和小傳感器體積是準(zhǔn)確測(cè)量大應(yīng)變、復(fù)雜和多模態(tài)變形的關(guān)鍵,比如在動(dòng)物(如章魚臂和象鼻)、人類(如肺)和軟機(jī)器人監(jiān)測(cè)中這種傳感器就可以發(fā)揮重要的作用。可擴(kuò)展的制造過(guò)程和可預(yù)測(cè)的傳感器性能進(jìn)一步擴(kuò)大了其實(shí)際使用的機(jī)會(huì)。

來(lái)源:傳感器專家網(wǎng)

服務(wù)熱線
13430557816

關(guān)注公眾號(hào)