超灵敏、能同时检测多种应变的柔性时域反射式传感器

柔性、可穿戴的传感器是实现人机交互的核心元件。人的皮肤可以实现对不同种类应变(如弯曲、压缩、拉伸和扭转)位置和大小的精准感受,然而目前的电子传感器仍难以达到这一水平。尽管将单点式传感器排列成阵列可以提供较好的位置和强度感应,但是密集阵列的制备更为复杂,并且易损坏。纤维基传感器的出现简化了传感器的制备工艺,但是由于在同一时间检测的物理信号(电阻、光强等)单一,仍无法实现对多种应变模式的同时检测。

电时域反射式传感器同时具有检测应变位置和种类的能力。其工作原理是基于传输线内阻抗不匹配会引起信号脉冲的反射和波形变化,通过检测反射脉冲的传输时间和变化,就可以判断应变的位置和类型。然而传统的电时域反射是传感器都是基于硬导体传输线制备的,较差的应变性使其无法用于柔性传感器的制备,并且降低了传感器对应变大小的感应能力。

近日,瑞士洛桑联邦理工学院的Fabien Sorin团队采用室温液态金属Ga-In-Sn作为导体,SEBS弹性体作为介电外壳,构建了一种新型柔性传输线,该传输线可通过简单的热拉伸工艺大规模制备。理论和实验研究表明,当用作时域反射式传感器时,液态金属传输线可提供200倍于传统金属传输线的应变感应灵敏度,其应力分辨率达到了0.2 N,应变位置感应误差小于6 cm。此外,该传感器还可感知拉伸应变和扭转应变。为说明该传输线在柔性传感器中的应用,传输线被集成到50 50 cm2的可拉伸织物上,并在拉伸状态下同时检测多个位点的压力。

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柔性传输线的制备

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图 1 柔性传输线的制备工艺及结构

 

通过热拉伸工艺,可以制备具有复杂截面结构的传输线。该工艺包含了前驱体的热压成型和前驱体热拉伸成纤维两个步骤。为保证加工过程中截面形状不发生改变,具有较高流动粘性的SEBS弹性体被选为介电外壳。通过热压成型,先制备出具有指定截面结构后的前驱体,然后再通过拉伸设备拉伸成纤维。根据孔径大小,液态金属Ga-In-Sn既可在拉伸过程中注入,也可在拉伸后注入。这一工艺最为突出的优点是可以保持在长轴上传输线截面形状的不变性,该特性对提高传输线灵敏度至关重要。为对比传感性能,作者采用相同工艺制备了以铜为传导材料的传输线。

作为时域反射式传感器的特性

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图 2 时域反射传感器的设置和传输线性能评估

 

为探究最适合用于制备时域反射传感器的传输线结构,作者首先采用双线、三角和同轴结构(图1b)的液态金属传输线构建了标准的时域反射传感器,分别采集了不同长度(1 – 5 m)传输线自由状态下对应的波形,并从中得出了液态金属传输线的特征阻抗为89 6 ,信号在传输线中的传输速度为1.95 108 m/s。

为保证压力传感不受外部介电环境变化的影响,传输线被浸泡在不同相对介电常数的液体中(乙醇和水),进行测试(图2c)。测试结果表明三角和同轴结构均具有良好的屏蔽效率,因三角结构更为简单,所以三角结构更适合用于制备传输线。

为阐述导线材料对传输线特性的影响以及校准液态金属传输线的基线,作者进一步对比了液态金属和铜传输线在不同频率下的信号衰减系数。研究结果表明,由于液态金属的电导率(3.3 106 S/m)比铜(5.8 107 S/m)要低,因此信号衰减更为严重,并且随着信号频率升高,信号衰减加剧(图2f),为抑制频率依赖性衰减给信号带来的失真,最有效的办法是采用具有高特征阻抗的三角结构传输线。

传感器对多位点应变和不同种类应变的响应

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图 3 传输线的点位点及多位点压力测试

 

为探究基于液态金属传输线的时域反射式传感器对压力的响应特性,作者采用1 m长的传输线作为模型,分别在同一点位施加不同大小的压力或在不同点位施加相同大小的压力,并于具有相同结构的铜传输线进行对比。理论和试验结果表明,液态金属超低的弹性模量使其对应力具有更灵敏的相应特性,液态金属传输线对应力大小的响应为20 mV/N,而铜传输线仅为0.1 mV/N(图3a)。根据反射信号传输回示波器的时间,可以判断压力位点距起始端的相对距离。当示波器对时间的分辨率为 0.6 ns时,传感器的误差可达 1 cm(图3d)。

经过简单的处理,传感器同样可以探测多个位点的压力信号(图3f)。能够探测的信号数量上线取决于输入电压的大小和示波器的电压分辨率,对于分辨率为4 mV的示波器,当输入电压为500 mV时,可探测的信号上限为125个。多位点信号探测的分辨率则具有距离依赖性,当压力位点距起始端越远,信号的分辨率越差(图3h)。

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图 4 传输线拉伸感应测试

 

对于1 m长的传输线,在0 – 100%的应变范围内,信号传输速度和特征阻抗均保持恒定,其力-电迟滞可以忽略。因而当传输线整体均匀拉伸时,信号反射回来的时间变长,利用这一特性,可以探测传输线的整体拉伸(图3a),其应变感应误差仅为0.25%(当示波器时间分辨率为25 ps时)。然而也是由于上述特性,传感器无法感应局部拉伸的作用位点(局部拉伸不会在传输线中产生阻抗不匹配)。为解决这一问题,可以等间距施加应力,将传感器划分成不同区域,人为制造阻抗不匹配,以此来判断拉伸发生的区域(图4c)。

作为辅助传感模式,作者还探讨了扭转和弯曲对传感器的影响。当每米的扭转圈数达到100时,由于明显的拉伸应变,传感器的反射信号会像正方向偏移。但由于弯曲无法产生足够的应变,因而无法被准确探测。

基于柔性传输线的织物传感器

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图 5 基于柔性时域反射式传感器的电子织物

 

通过将10 m长的柔性传输线以蛇形线布局整合至可拉伸织物,作者制备了可同时探测多位点压力和整体拉伸信号的柔性织物传感器,其感应面积达50 50 cm2。结合可视化界面,该传感器可清晰地反应压力的位点和大小。当对织物施加轴向拉伸时,通过简单的算法,传感器可同时给出准确的压力的和拉伸力的信息。

总结与展望

本文提供了一种简单的液态金属基柔性传输线的制备方法,并且通过控制传输线的截面结构,可轻松调整传输线的特征阻抗、屏蔽性和信号损耗。该传输线可用于柔性、大面积的时域反射式传感器的制备,并提供超高的灵敏度、高柔性和多位点、多种类应力/应变传感,因而在电子织物、可穿戴设备和机器人皮肤领域有广泛的应用前景。

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