基于液态金属图案化的柔性电路及传感器研制

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随着物联网的快速发展,人们对柔性可穿戴设备的需求日益增加。柔性可穿戴设备相比于传统刚性设备,具有更好的贴合性和舒适性,通过从人体皮肤获取的物理、化学和生物信息,能够实时监测人体生理参数和环境状态,因此其在医疗健康领域以及日常生活中具有巨大应用前景。液态金属由于其优异的导电性、自由变形性等性能,是柔性电子设备中首选的导体材料之一,而其中液态金属的图案化更是研究者们研究的热点,针对不同的图案结构需求应采取相适应的液态金属图案化方法。在本文当中,主要介绍了两种液态金属在硅胶弹性衬底中的图案化方法,并根据这两种图案化方法的优势分别制备了柔性电路与柔性传感器。使用CO2红外激光在商业聚酰亚胺薄膜(PI)胶带上烧蚀出多孔石墨烯,利用多孔石墨烯具有微结构粗糙面的性质,使得液态金属在经过PI烧蚀的表面能够选择性地沉积出预设的电路图案,将沉积的图案转印至柔性基底并进行封装处理,完成柔性电路的制备。通过内嵌贴片LED灯的演示,验证了所制备的柔性电路具有良好的弯曲贴合性及可拉伸性。对液态金属直接注入法与压差注入法进行理论上的分析与讨论,发现使用直接注入法向微流道内注入液态金属难度较大,且操作复杂。相比之下,真空压注入差更适用于狭窄、弯道复杂多变的液态金属微流道填充。在传感器微流道液态金属注入端处进行了面向传感器微流道压差注入法的优化设计,在微流道的注入端口处增加了一个阔槽口以及双层阶梯式的储液缓冲流道,通过仿真与实验验证了该储液缓冲结构设计起到了减缓流道内压力、防止流体泄漏的作用,可以让液态金属更加平缓地渗进微流道内,使其充满流道内部。使用改进后的压差注入法向硅胶弹性体内的中空微流道注满液态金属,制得了单流道电阻式应变传感器和平面叉指电容式传感器,电阻式传感器灵敏度GFR=2.05,响应时间(?)′≈0.14 s,平面叉指电容式传感器GFc=1,实验值与理论分析值吻合。对单流道电阻式传感器进行了优化设计,引入惠斯顿桥电路结构,将传感器中的液态金属微流道布局设计成惠斯顿桥结构,旨在提高传感器的灵敏度以及较少温度对传感器稳定工作的影响。实验结果表明改进后的传感器不仅减小了温度对数据的漂移影响,而且灵敏度GFR=2.05提升至GFv=4.94,传感器的响应灵敏度获得了较大幅度的提升。上述两种柔性电子制造技术具有成本低和效率高的优点,可兼容工业批量化生产,分别实现了液态金属的曲面图案化和高敏柔性传感器的制备,可应用于电子纹身、电子皮肤、VR/AR传感设备以及仿生机器人等,在远程健康医疗、人工智能和人机交互等领域中拥有广泛的应用和良好的发展前景。
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