上海交通大學AFM: 用于可彎曲交互界面的柔性應變傳感陣列

【引言】

在過去的幾十年中，具有“交互界面”的手持式信息終端的開發取得了重大的技術進步。該界面集成了輸入和輸出功能，以實現更直觀的交互功能，諸如：液晶顯示 (LCD)和有機發光二極管(OLED)等顯示技術被普遍用作“輸出”端，而顯示屏集成的電阻、電容、光學或壓電傳感作為“輸入”端，用于識別各種姿態，包括觸摸，按下和滑動等。這些傳感器技術使顯示器具有更多的交互功能。隨著柔性顯示技術的發展，利用其柔性可變形的特性，“彎曲”可作為一種自然的 “輸入”方式，用于構造新型的交互界面。一種簡單的實現方法是將應變傳感器陣列與顯示屏集成，從而能夠測量顯示屏彎曲所產生的應變分布，以識別彎曲的位置、方向與強度。為了構建大面積的柔性應變傳感器陣列，不同區域之間的互連對于實現所需的應力監測的靈敏度以及耐用性至關重要。互連材料應具有足夠好的電導率和合適的機械力學性能。

【成果簡介】

近日，上海交通大學郭小軍教授和陳蘇杰（共同通訊作者）在這項工作中，通過將炭黑(CB)與聚二甲基硅氧烷(PDMS)和Ecoflex(CB-PDMS/Ecofle)混合，開發出了一種可拉伸的導電互連材料，用于制造應變傳感器陣列。這種導電互連材料與用于易加工的刮涂工藝具有很好的相容性，并且具有與由銀納米線(AgNWs)和PDMS組成的傳感區域相似的低楊氏模量。進一步開發了柔性應變傳感器陣列的印刷制造工藝，實現了4×9的傳感器陣列。結果表明，CB-PDMS/Ecoflex互連層可以在傳感區域和Ag導線之間形成可靠的互連，在3000次以上的循環彎曲測試下保持良好的性能。將應變傳感器陣列與柔性有源矩陣有機發光二極管(AMOLED)顯示屏集成在一起，構造了可彎曲的交互式界面，驗證了通過“彎曲”姿態控制顯示畫面中球運動的功能。相關研究成果“Printed Flexible Strain Sensor Array for Bendable Interactive Surface”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一傳感器結構力學仿真和系統集成結構示意圖

（a）傳統應變傳感器結構的示意圖。

（b）提出的應變傳感器結構示意圖。

（c）將柔性AMOLED顯示面板和應變傳感器陣列與系統電路圖集成在一起的可彎曲交互式界面的概念示意圖。

圖二傳感器的力學和電學測試

（a）傳感器的各部分組成。

（b）用PI膠帶對絲網印刷的Ag電極表面上的CB-PDMS和CB-PDMS/Ecoflex進行附著力測試。

（c）CB-PDMS，CB-PDMS/Ecoflex和PDMS/AgNW膜在不同應變下測得的應力。

（d）在使用和不使用CB-PDMS/Ecoflex互連層的情況下，在不同應變下，傳感膜的相對電阻變化(ΔR/ R0)。

圖三彎曲傳感器陣列性能測試

（a）提出的應變傳感器陣列結構，包括用于互連布線的絲網印刷銀漿，用于彈性傳感區域的彈性體（PDMS）和銀納米線（AgNWs）的混合物以及用于互連層的不同彈性導體材料。

（b）完整的4×9應變傳感器陣列的光學圖像。

（c）使用CB-PDMS/Ecoflex互連層的傳感器在約5％的應變下進行3000多次彎曲循環過程中測得的傳感器的ΔR/ R0的變化。

（d）在不同彎曲程度導致的應變下測得的ΔR/ R0值，在每種條件下重復測試5次。

圖四可彎曲的交互式表面

（a）通過光學透明粘合劑（OCA）和PI膠帶將傳感器陣列層貼合到柔性AMOLED顯示面板的背面制成可彎曲交互式表面的光學圖像。

（b）在不同的彎曲模式下陣列上各個傳感器（ΔR/ R0）響應分布圖，用以表示應變分布。

（c）演示使用可彎曲的交互式表面來控制球在顯示器上的運動，并使用外部計算機來簡化演示。

【小結】

這項工作通過利用AMOLED顯示屏的柔性和可變形特性，展示了使用彎曲姿態作為輸入的新型交互式表面。 它是通過將柔性應變傳感器陣列與柔性AMOLED顯示器集成在一起以測量應變分布輪廓以識別彎曲的位置、方向和強度來實現的。為了在傳感器陣列中的彈性敏感區域和剛性接觸區域之間形成可靠的互連，以實現所需的局部靈敏度和耐用性，可拉伸導電復合材料CB-PDMS/Ecoflex的互連層被添加到接觸區域的頂部。根據提出的設計和互連層材料，開發了印刷工藝以制造4×9柔性應變傳感器陣列。最后，通過將應變傳感器陣列與柔性AMOLED顯示器集成在一起，實現了可彎曲的交互式表面，并展示了其通過彎曲姿態控制球運動的能力。這項工作將擴展交互式顯示中的姿態識別的邊界范圍并獲得廣泛的應用。

文獻鏈接：“Printed Flexible Strain Sensor Array for Bendable Interactive Surface”(DOI: 10.1002/adfm.202003214)

本文由材料人微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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