Mit der tiefgreifenden Integration und Entwicklung künstlicher Intelligenz und Internet-of-Things-Technologien (IoT) haben flexible und dehnbare Dehnungssensoren aufgrund ihrer potenziellen Anwendungen in der menschlichen Bewegungserkennung, der medizinischen Diagnostik, der Mensch-Computer-Interaktion und der elektronischen Haut große Aufmerksamkeit erregt. Dehnungssensoren funktionieren, indem sie mechanische Reize über verschiedene Sensormechanismen in elektrische Signale-wie Widerstand oder Kapazität- umwandeln. Unter diesen sind Widerstandsdehnungsmessstreifen aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, geringen Kosten, einfachen Struktur und einfachen Ablesbarkeit zu einem Forschungsschwerpunkt geworden.
Derzeit besteht eine der gängigen Strategien zur Herstellung leistungsstarker flexibler Dehnungssensoren darin, feine Mikrostrukturen-wie Mikropyramiden, Falten und Mikrosäulen-auf die Oberfläche des elastischen Substrats einzubringen, um eine höhere Empfindlichkeit und niedrigere Nachweisgrenzen zu erreichen. Herkömmliche Methoden zur Herstellung von Mikrostrukturen-wie Formen, Fotolithographie und Selbstmontage- beinhalten jedoch oft umständliche, zeitaufwändige und kostspielige Prozesse, was die schnelle Herstellung und groß angelegte Anwendung von Sensoren einschränkt. Im Gegensatz dazu bietet die Laserbearbeitungstechnologie aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Geschwindigkeit, hoher Effizienz, maskenfreiem Betrieb, niedrigen Kosten und hoher Flexibilität einen neuen Ansatz für die Herstellung flexibler elektronischer Geräte. Dennoch bleibt es eine große Herausforderung, sich ausschließlich auf Laserbearbeitungsstrategien zu verlassen, um Dehnungssensoren zu erhalten, die gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit, hohe Dehnbarkeit, hohe Linearität, schnelle Reaktion, geringe Hysterese und Langzeitstabilität aufweisen. Wie die synergistische Optimierung dieser Eigenschaften unter einfachen, kostengünstigen Herstellungsbedingungen erreicht werden kann, bleibt eine zentrale Herausforderung der aktuellen Forschung.
Das Team um Xie Xiaozhu von der School of Mechanical and Electrical Engineering der Guangdong University of Technology hat eine einfache, kostengünstige und effiziente Methode zur Entwicklung eines Dehnungssensors mit hoher Empfindlichkeit, Dehnbarkeit und guter Stabilität vorgeschlagen. Durch die Kombination der Laserdirektschreibtechnologie mit 3D-Druck gelang es ihnen, einen flexiblen P-PDMS-Dehnungssensor herzustellen.
In dieser Studie wurde eine kostengünstige und skalierbare Fertigungsstrategie entwickelt, die Laserdirektschreiben und 3D-Drucktechnologie kombiniert, um eine Vielzahl strukturierter flexibler PDMS-Dehnungssensoren (P-PDMS) herzustellen. Wir haben Fertigungsparameter wie Laserbearbeitung und 3D-Druck optimiert, um Sensoren mit höchster Empfindlichkeit über einen weiten Dehnungsbereich herzustellen. Unter den Prozessparametern Scanfrequenz 100 kHz, Pulsenergie 1,46 μJ, Scangeschwindigkeit 5 mm/s und Druckgeschwindigkeit 2,5 mm/s weist der vorbereitete Sensor mit Verbundmikrostruktur eine hochlineare Empfindlichkeit auf. Bemerkenswert ist, dass die Empfindlichkeit des flexiblen Dehnungssensors mit Verbundmikrostruktur (PCM) 159 % höher ist als die des strukturierten Einzelmikrostruktursensors (PSLM) und 339 % höher als die des unstrukturierten Sensors. In Bezug auf die dynamische Reaktion verfügt der Sensor über eine Reaktionszeit von 140 ms (im Vergleich zu 362 ms für den musterlosen Sensor und 244 ms für den Einzelmikrostruktursensor), mit einem Hysteresekoeffizienten von nur 0,023 und einer hervorragenden Zyklenstabilität. Darüber hinaus weist es eine stabile Temperaturreaktion und eine extrem niedrige Nachweisgrenze von 0,0125 % auf. Daher können unsere Dehnungssensoren zur Erkennung einer Vielzahl menschlicher Bewegungen verwendet werden, darunter Bewegungen von Fingern, Handgelenken, Knien und Ellbogen. Das Laser-Direktschreibverfahren bietet außerdem die Vorteile von Einfachheit, Effizienz und geringen Kosten und zeigt großes Potenzial im Bereich tragbarer elektronischer Geräte.
