供稿人：吕洋、高琳 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-05-20
近年来，柔性电子器件在可穿戴技术、人造皮肤、运动监测、能量收集和存储系统、人机交互等广泛应用。目前，大多数柔性电子产品都是通过使用弹性体基板与刚性导电填料相结合来制造的。水凝胶由于优异的机械性能以及与导电填料的高度相容性，被认为是制造集成电路最有前途的材料。
随着柔性电子器件的不断进步，不仅要满足导电性和机械性能的要求，还要具备快速3D打印和耐蒸发性等能力。目前大多数基于挤出打印的水凝胶研究只能完成简单的平面空心结构，无法实现复杂的晶格结构。还原光聚合技术的出现将克服了这些难题，但是仍然存在诸多挑战：首先，光引发剂的选择是一个关键因素。此外，还原光聚合3D打印水凝胶通常表现出较低的机械强度，导致打印过程中脱落或破损并最终损坏。
为了克服水凝胶在还原光聚合中的使用挑战，华南理工大学的研究团队开发了一种UV固化水凝胶，实现了快速3D打印。在该设计中，基于顶点单元的晶格结构显著提高了基于水凝胶的电阻传感器的压力灵敏度。此外，高弹性水凝胶可以替代电容式传感器介电层中的传统弹性体。
图1 各种晶格结构的压力传感模拟
与传统固体结构相比，晶格结构的密度大大降低，但其比强度和刚度较高，在低密度结构中具有显著的力学性能优势。因此，设计并采用了各种晶格结构进行压缩应变传感。晶格结构的多孔特性使水凝胶具有很强的可压缩性。即使在超过90%的压缩应变下，水凝胶也表现出快速的可恢复性。水凝胶表现出稳定、直观和可重复的信号输出，无论应变是在微应变范围内（<10%）还是在高达70%的大应变压缩期间，水凝胶的每个压缩应变都对应于不同的传感特性。此外，具有多孔晶格结构的水凝胶在500%应变下经历了50次压缩循环，相对电阻变化没有明显的漂移，表明该传感器器件具有出色的抗疲劳性和高可靠性。
图2 水凝胶介电层在电容式传感器中的应用
水凝胶作为电阻传感器不仅具有高灵敏度和宽感应范围，而且是电容式传感器中介电层的优秀候选者，从而为柔性传感器的设计和制造提供了更多的选择和可行性。
总体而言，这项研究为基于水凝胶的传感器提供了新颖的3D打印材料、制造工艺、结构设计和应用，从而为蓬勃发展的柔性电子市场提供了新的机遇，特别是在可穿戴电子设备领域。