如何利用簡單且經濟的制造工藝實現雙面織物應變傳感器陣列呢？

電子紡織品可以提供具有各種電氣功能的絕緣柔性基底，并已廣泛應用于能量采集、醫療康復、人體運動檢測和人機交互等領域。雖然單個織物傳感器可以在可穿戴應用中實現超高性能，但不足以準確檢測人體的空間壓力/觸摸/應變分布。此外，當單個傳感器損壞時，可穿戴設備將無法運行。當多個傳感器在陣列中并聯連接時，即使其中一個傳感器損壞，也可以保持設備的整體功能。因此，織物傳感器陣列的設計和制造非常重要。

據麥姆斯咨詢報道，近期，香港理工大學和華南理工大學的研究人員通過使用單一導電復合漿料印刷傳感區域和互連，在彈性織物基底上制備了一種雙面應變傳感器陣列。通過控制印刷漿料的粘度，除特定位置的通孔之外，多孔織物兩側的導電軌道都被絕緣。通過使用簡單且經濟的方法進行制造，這種織物應變傳感器陣列表現出較好的一致性、可靠的連接接口、足夠的環境穩定性和較長的疲勞壽命（～10,000次循環載荷）。相關研究成果以“A novel double-sided fabric strain sensor array fabricated with a facile and cost-effective process”為題發表在Sensors and Actuators A: Physical期刊上。

在這項研究中，通過在織物的每一側印刷炭黑硅彈性體（CB-SE）復合材料，并通過填充相同復合材料的通孔連接兩側，制備了雙面織物基應變傳感器陣列（FSSA）。該傳感器陣列的尺寸被設計為約15 cm長和11 cm寬，每個傳感器的水平距離為9 mm，垂直距離為20 mm，?上、下互連的尺寸均為14 cm長和1.5 cm寬。

織物傳感器單元和傳感器陣列的設計

該傳感器陣列的制造過程如下圖所示，包括（a）印刷頂部導電圖案；（b）印刷底部導電圖案；（c）穿過兩層打孔；（d）在頂層和底層分別用復合材料填充孔；（e）在傳感器陣列的兩側印刷封裝層；（f）安裝用于外部電氣連接的金屬按鈕。

雙面織物應變傳感器陣列的制造過程

為了檢驗FSSA設計的合理性，有必要對傳感器單元的性能、雙層電路的絕緣和連接測試以及FSSA在循環應變下的一致性和穩定性進行評估。實驗結果表明，所得織物傳感陣列表現出高性能、優異的一致性、層與層之間穩定的連接以及超過10,000次循環應變的超長疲勞壽命。

傳感器的性能測試

雙層電路的絕緣和連接測試

FSSA的一致性和穩定性測試

將FSSA安裝在膝蓋上，以檢測膝蓋彎曲運動的動態響應。結果表明，FSSA具有動態監測和實時繪制身體運動應變空間分布的能力，可用于運動員成績評估和下一代康復，優于單一傳感器。

FSSA的應用

總而言之，研究人員采用單一導電材料印刷工藝來制造基于織物的雙面應變傳感器陣列，在傳感區域和互連之間具有可靠的接口。通過控制印刷漿料的黏度，制作雙面可拉伸電路，實現雙面之間的絕緣和連接，確保器件具有可靠的跨層連接和絕緣。所得織物傳感陣列表現出高性能、優異的一致性、層與層之間穩定的連接以及超過10,000次循環應變的超長疲勞壽命。研究人員提出了一種具有較低串擾誤差（小于1%）和電路復雜度的GND連接電阻矩陣方法來獲取織物應變傳感器陣列的電阻信號，從而解決了從傳感單元到硬互連的接口連接問題，并為可拉伸多層電路的設計提供了參考。

在未來的工作中，研究人員將進一步降低互連電阻和器件尺寸。這項工作基于一種材料印刷的生產方法，其中互連需要大面積，而傳感區域需要大的縱橫比來滿足生產要求，導致器件面積很大。高密度和高精度傳感器陣列在可穿戴應用中很受歡迎。該研究僅考慮了器件的二維（2D）尺寸，因此難以進一步降低互連電阻和器件尺寸。在未來的研究中，將研究長寬高比，以減小器件的面積，實現大規模的傳感器陣列。

論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115208

審核編輯：劉清