Stretchable Strain Sensors Based on Conductive Microspheres

Abstract

Tragbare Elektronik, Mensch-Maschine-Schnittstellen und Soft-Robotik gehören zu den vielfältigen zukünftigen Anwendungen, die von der Entwicklung hochpräziser dehnbarer Dehnungssensoren profitieren werden. Insbesondere die mechanische Anpassungsfähigkeit, die additiven Fertigungsmethoden und die große Sensorfläche machen die dehnbaren Dehnungssensoren zu einer komplementären Technologie zu den modernen Sensoren auf Siliziumbasis. Die dehnbaren Dehnungssensoren erhalten ihre Verformbarkeit durch das vorhandene Elastomer in ihrer Struktur, ein Schlüsselelement, das wie ein zweischneidiges Schwert wirkt. Der Hauptvorteil besteht darin, dass das Elastomer eine reversible Verformung des leitfähigen Netzwerks in Bereichen ermöglicht, die für herkömmliche MEMS-Sensoren auf Siliziumbasis nicht zugänglich sind. Ein Ungleichgewicht in der Beweglichkeit der Elastomerkette und der Spannungsverteilung im leitfähigen Netzwerk führt jedoch zu elektromechanischen hysteretischen Effekten, die einen reibungslosen Übergang vom Labor zur Fertigung verhindern. Darüber hinaus haben sich die Geometrie des leitenden Elements und seine Schnittstelle mit dem Elastomer als entscheidende Faktoren für die Bestimmung der wichtigsten Leistungskennzahlen des Sensors erwiesen. In diesem Zusammenhang haben über ein Jahrzehnt hinweg zahlreiche Studien zur Verbesserung der Leistung von dehnbaren Dehnungssensoren durch neuartige Sensormaterialien und Strukturtechniken zu einer ständigen Weiterentwicklung der Sensorkonzepte geführt. Trotz der zahlreichen Veröffentlichungen konzentrierten sich die meisten Berichte darauf, ein zweites leitfähiges oder isolierendes Material zwischen den Haupterfassungselementen einzubauen, um entweder die Dehnbarkeit oder die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen. Um die mechanische Robustheit des Sensors zu erhöhen, wird häufig das aktive Sensormaterial in ein zweites Elastomer eingekapselt. Beide Ansätze gehen zu Lasten der Einfachheit und Kosteneffizienz der Herstellungsprozesse. Hohe Dehnbarkeit und mechanische Robustheit sind zwar wichtige Leistungsmerkmale, doch letztlich bestimmen die anwendungsspezifischen Anforderungen die Schlüsselbereiche, die einer Modifizierung bedürfen. Abgesehen von der Erkennung menschlicher Bewegungen, einem Anwendungsbereich, dem in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit geschenkt wurde, hat bei den meisten intelligenten Sensoranwendungen neben einer hohen Reproduzierbarkeit die Erkennung kleiner Dehnungen mit hoher Auflösung eine höhere Priorität. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit besteht darin, die Grenzen der Sensorik zu erweitern, indem unkonventionelle leitfähige Mikrokugeln in die Matrix eines bisher wenig erforschten Elastomers, EVA, eingebettet werden. Der Einsatz von additiven Fertigungstechniken wie dem Schablonendruck und dem Nassspinnen in dieser Arbeit bietet wirtschaftlich tragfähige Optionen mit angepassten Fertigungsmöglichkeiten und geringem Materialabfall. Strukturelle Untersuchungen sowohl an gedruckten als auch an nassgesponnenen Sensoren zeigen zunächst die entscheidende Rolle des Elastomertyps und seiner Schnittstelle zu leitfähigen Mikrokugeln. Obwohl die 35-µm-Mikrokugeln im Vergleich zu den 4-µmMikrokugeln eine niedrigere Nachweisgrenze und eine höhere Empfindlichkeit bieten, ist die Dehnbarkeit des Sensors insbesondere durch das Auftreten einer elektromechanischen Hysterese bei wiederholten Zyklen begrenzt. Dies unterstreicht die Bedeutung der Partikelgröße für die Nachweisgrenze und die Empfindlichkeit. Darüber hinaus weist der gedruckte Sensor bei Verwendung von 4 µm großen Mikrokugeln vielversprechende Eigenschaften wie eine hohe Reproduzierbarkeit auf. Basierend auf den 4 µm-Mikrokugeln werden die gedruckten Sensoren dann für die Stoßerkennung und die Überwachung der Membranausdehnung untersucht, wobei die mechanische Beständigkeit gegenüber Überlastungen und die hohe Empfindlichkeit nachgewiesen werden. Rückblickend lässt sich feststellen, dass ein limitierender Faktor für die Erweiterung der Mindestdetektionsgrenze und der Auflösung das Vorliegen eines dehnbaren Substrats mit einem höheren Elastizitätsmodul im Vergleich zum Komposit ist. Dies unterstreicht die Bedeutung der mechanischen Kompatibilität des Substrats mit dem Elastomer. Daher konzentriert sich der folgende Teil dieser Arbeit auf die Entwicklung eines substratfreien Sensors auf der Grundlage desselben Komposits (4 µm Mikrokugeln und EVA). Nicht zuletzt führte diese Studie zur ersten Demonstration des Einsatzes eines piezoresistiven dehnbaren Dehnungssensors für die Echtzeitüberwachung der Batterieausdehnung. Dieser Ansatz ermöglicht eine Rekord niedrige Detektionsgrenze und Auflösung sowie eine schnelle Antwortzeit (16 < ms), Eigenschaften, die für kleine Dehnungssensoranwendungen besonders attraktiv sind.