Met de diepgaande integratie en ontwikkeling van kunstmatige intelligentie en Internet of Things (IoT)-technologieën hebben flexibele en rekbare spanningssensoren brede aandacht gekregen vanwege hun potentiële toepassingen in menselijke bewegingsdetectie, medische diagnostiek, menselijke-computerinteractie en elektronische huid. Spanningssensoren werken door mechanische stimuli om te zetten in elektrische signalen-zoals weerstand of capaciteit-via verschillende detectiemechanismen. Hiervan zijn resistieve rekstrookjes een hotspot voor onderzoek geworden vanwege hun hoge gevoeligheid, lage kosten, eenvoudige structuur en afleesgemak.
Momenteel is een van de gebruikelijke strategieën voor het vervaardigen van hoogwaardige -flexibele spanningssensoren het introduceren van fijne microstructuren-zoals micropiramides, vouwen en microkolommen-op het oppervlak van het elastische substraat om een hogere gevoeligheid en lagere detectielimieten te bereiken. Traditionele fabricagemethoden voor microstructuren-zoals gieten, fotolithografie en zelf-assemblage-gaan echter vaak gepaard met omslachtige, tijd-en kostbare processen, waardoor de snelle fabricage en grootschalige toepassing van sensoren-wordt beperkt. Laserverwerkingstechnologie biedt daarentegen een nieuwe benadering voor de productie van flexibele elektronische apparaten vanwege de voordelen van hoge snelheid, hoge efficiëntie, maskervrije werking, lage kosten en hoge flexibiliteit. Niettemin blijft het een aanzienlijke uitdaging om uitsluitend te vertrouwen op laserverwerkingsstrategieën om spanningssensoren te realiseren die tegelijkertijd een hoge gevoeligheid, hoge rekbaarheid, hoge lineariteit, snelle respons, lage hysteresis en stabiliteit op de lange termijn bezitten. Hoe de synergetische optimalisatie van deze eigenschappen onder eenvoudige, goedkope-fabricageomstandigheden kan worden bereikt, blijft een kernuitdaging in het huidige onderzoek.
Het team onder leiding van Xie Xiaozhu van de School of Mechanical and Electrical Engineering aan de Guangdong University of Technology heeft een eenvoudige, kosten-effectieve en efficiënte methode voorgesteld om een reksensor te ontwikkelen met een hoge gevoeligheid, rekbaarheid en goede stabiliteit. Door technologie voor direct laserschrijven te combineren met 3D-printen, hebben ze met succes een P-PDMS flexibele spanningssensor gefabriceerd.
In dit onderzoek werd een goedkope en schaalbare productiestrategie ontwikkeld die direct laserschrijven en 3D-printtechnologie combineert om een verscheidenheid aan flexibele spanningssensoren met patroon-PDMS (P-PDMS) te vervaardigen. We hebben productieparameters zoals laserverwerking en 3D-printen geoptimaliseerd om sensoren met de hoogste gevoeligheid over een breed spanningsbereik te vervaardigen. Onder de procesparameters van scanfrequentie 100 kHz, pulsenergie 1,46 μJ, scansnelheid 5 mm/s en printsnelheid 2,5 mm/s vertoont de voorbereide sensor met composietmicrostructuur een zeer lineaire gevoeligheid. Met name de gevoeligheid van de flexibele reksensor met composietmicrostructuur (PCM) is 159% hoger dan die van de sensor met enkele microstructuur (PSLM) en 339% hoger dan die van de sensor zonder patroon. In termen van dynamische respons heeft de sensor een responstijd van 140 ms (vergeleken met 362 ms voor de patroonloze sensor en 244 ms voor de sensor met enkele microstructuur), met een hysteresiscoëfficiënt van slechts 0,023 en uitstekende cyclusstabiliteit. Bovendien vertoont het een stabiele temperatuurrespons en een ultra-lage detectielimiet van 0,0125%. Daarom kunnen onze spanningssensoren worden gebruikt om een verscheidenheid aan menselijke bewegingen te detecteren, waaronder bewegingen van vingers, polsen, knieën en ellebogen. De directe laserschrijfmethode heeft ook de voordelen van eenvoud, efficiëntie en lage kosten, en vertoont een groot potentieel op het gebied van draagbare elektronische apparaten.
