具备高灵敏度、宽工作范围的角度补偿比色应变传感器
2022-12-24 20:29:55   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，柔性可拉伸传感器因其在智能假肢、电子皮肤、虚拟现实辅助设备、人类健康监测等领域的巨大应用潜力，逐渐成为研究热点。特别是应变传感器，它可将机械变形转换为可读输出信号，在柔性智能设备发展中发挥了重要作用。迄今为止，基于电信号（电容或电阻）的应变传感器是最主流的方法，然而，此类应变传感器需要依赖电信号处理器、外部电源等附加设备。因此，基于光信号的应变传感器被认为是一种理想的替代方案。

由于颜色是识别速度最快、最直观的信号之一，它已被用于多种传感机制，包括机械应变传感器。比色应变传感器就是一种以光学响应信号为基础，利用传感器单元的光学性质（吸收或反射）产生的结构色作为输出信号实现检测的传感器。不过，比色传感器目前面临着角度依赖性和应变工作范围两大技术难题。如何以简单的工作机理、高灵敏度、高可靠性和具有成本效益的制造工艺来制造它们也是一个具有挑战性的问题。

据麦姆斯咨询报道，近期，韩国机械材料研究所（KIMM）、韩国科学技术联合大学院大学（UST）的研究人员提出一种新型比色应变传感器，其可拉伸聚二甲基硅氧烷（PDMS）衬底上具有纳米级二维光子晶体结构（PCS）。由于周期性的纳米结构，传感器表面会产生结构色，当它被拉伸时，纳米结构的周期性变化会导致传感器颜色变化。该传感器上集成了多个具有不同周期性的纳米结构，在实现高灵敏度的同时，工作范围可扩展到150%。该传感器基于坚固且可重复使用的模具制备，工艺相对简单，成本效益高，未来有望应用于商用应变传感器。相关研究成果已发表于Scientific Reports期刊。

比色应变传感器模具及传感器制造工艺示意图

该项研究中，研究人员提出一种基于结构色的比色应变传感器，具有较大的应变和颜色变化范围。采用纳米粒子自组装的方法制备了具有二维光子晶体结构的模具，之后将其转移到PDMS衬底上，制备出应变传感器。由于晶体结构色会随应变以及入射角和视角而变化，因此，在刚性衬底上制作了附加结构，并将其附着在传感器衬底上。该衬底的颜色仅随入射角和视角而变化，可用于补偿可拉伸传感器衬底的颜色变化，以适应任意入射角和视角。刚性衬底上的颜色表示当前入射角和视角，而可拉伸衬底上的颜色表示随应变的颜色变化。通过比较各衬底的颜色，可以获得任意入射角和视角下的应变。可拉伸衬底上的晶体结构具有不同的周期性，分别为780 nm、510 nm和356 nm。由于每种结构具有不同的工作范围，该传感器衬底具有较宽的可测量应变范围（高达150%）和高灵敏度。此外，该传感器衬底在超过5000次循环的机械拉伸测试中表现出良好的耐久性。

基于结构色的比色应变传感器工作原理

（a）在反射模式下六方结构二维光子晶体的光学图像显示各区域不同亮度；（b）透射模式下六方结构二维光子晶体的光学图像显示A、B区域存在纳米颗粒，C区域为空；（c–f）不同角度（反射模式）下六方结构二维光子晶体的光学图像显示A、B区域的交替亮度；（g）B区域亮度随旋转角度变化的极坐标图；（h）高倍率图像（透射模式）显示A、B区域六边形晶格和入射光的方向（比例尺5μm）

（a）分别在三角形、圆形和方形区域制备了780 nm、510 nm和356 nm周期性纳米结构，通过整合三种不同的周期性纳米结构将应变范围扩大到150%；（b）三角形（0-50%应变）、圆形（50-125%应变）和方形（125–150%应变）区域的照片和衍射波长

总而言之，该比色应变传感器可以由纳米颗粒自组装和薄膜沉积的模具简单复制而成，为基于结构色的应变传感器的制备提供了一种简单且具有成本效益的工艺策略。此外，该研究提供了一种用于测量各种视角和入射角应变的新方法，采用具有光子晶体结构的刚性衬底作为角度补偿器，可对任意角度进行初始颜色指示。由于传感器衬底应变会导致纳米结构周期性的变化，从而使传感器表面反射颜色发生变化。研究人员通过制作多种周期性结构，使得该传感器工作范围扩大到150%。此外，该传感器衬底具有良好的机械耐久性，在工业级应用中具备潜力。随着人们对可穿戴设备、机器人、柔性传感器等应用需求的提升，该研究有望为这些需求提供极具竞争力的制造工艺和传感器设备。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-022-26272-1

延伸阅读：

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《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》

《可穿戴传感器技术及市场-2022版》

《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》