基于腔体夹层结构的双轴拉伸单轴敏感柔性液态金属应变传感器

《Chemical Engineering Journal》：Biaxial stretching uniaxial sensitive flexible liquid metal strain sensor based on cavity sandwich structure

液金属柔性传感器腔体沙克结构设计解耦双向应变测量，实验验证其在扑翼飞行器、膝关节和气球中的运动监测应用，展现高灵敏度与低成本制造优势。

　　

吕晓洲|尹瑞静|李卓伦

西安电子科技大学航空航天科学技术系，中国陕西西安

摘要

在当今灵活且复杂的系统中，结构变形通常较大且多方向，这使得传统的应变传感器难以同时处理多个方向的拉伸应变。因此，开发新型结构以使设备具备解耦复杂运动的能力至关重要。本文提出了一种基于液态金属（LM）的柔性传感器，该传感器采用腔体夹层结构，并对其机械性能进行了表征。结果表明，传感器的灵敏度因子（GF）在主灵敏轴方向（称为T方向）和垂直于主灵敏轴的方向（称为L方向）之间存在显著差异。此外，该传感器在同时进行双轴拉伸测试时表现出优异的解耦性能。我们还展示了该传感器在多种实际应用中的运动监测能力，包括扑翼飞机、人膝关节和长形气球。实验结果表明，所提出的腔体夹层结构柔性传感器具有出色的解耦性能和可靠的稳定性。该设备可以集成到各种复杂的运动检测系统中，并且制造成本非常低。

引言

近年来，柔性传感器的发展在多个领域受到了广泛关注，包括运动检测[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、可穿戴设备[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、柔性机器人[13]、[14]以及各种生物医学应用[15]、[16]。研究人员为提高柔性传感器的可伸展性、灵敏度和耐用性做出了巨大努力[17]、[18]、[19]。其中，应变传感器能够将机械变形转换为电信号，根据传感器的工作原理，这些信号会导致电阻、电容或其他参数的变化，从而揭示被监测物体的物理变形状态[20]。因此，应变传感器在传统行业（如机械制造和航空航天）以及新兴应用（如运动捕捉和医疗保健）中发挥着关键作用。

传统的应变传感器，如半导体应变传感器和箔式应变计被广泛使用，但它们的变形能力有限，测量范围较小（<2%）[21]，这严重限制了它们在灵活和复杂系统中的应用，例如变形较大的飞机、充气航天器和气球，这些系统会经历多轴同时变形。此外，它们难以检测结构中可能出现的任何位置的损伤或裂纹[22]。在这些应用中，应变传感器必须具备线性应变响应、轻量化设计、高贴合性和高可伸展性[23]，以满足长期稳定运行的要求。刚性传感器变形能力较弱，与被测量物体的贴合度较差，在动态或大变形情况下容易脱落或引入测量误差。显然，柔性应变传感器在复杂系统中具有显著优势。

研究人员通过两种策略开发了一系列高可伸展性的柔性应变传感器：结构设计和复合材料。当这些传感器的应变敏感方向与被测量物体的拉伸应变方向一致时，可以测量物体的应变大小。Chen等人[24]将共晶镓-铟（EGaIn）液态金属嵌入波浪形微通道弹性基底中，制造了一种微流体柔性应变传感器。这种微流体传感器可以承受高达320%的应变，并在周期性动态载荷下保持长期稳定性和耐用性。Dai等人[25]通过预拉伸由碳纳米管（CNT）墨水和聚氨酯（PU）纱线制成的传感层，开发了一种具有皱纹和微裂纹结构的应变传感器。裂纹和皱纹微结构的协同效应显著提高了传感器的灵敏度，因为在CNT层中形成了连续的导电敏感网络。尽管这种类型的柔性应变传感器可以测量物体中的大单轴拉伸应变，但它仅适用于物体的拉伸方向与传感器的应变敏感方向相同的情况。

通过设计敏感材料的各向异性，研究人员开发了一种具有各向异性灵敏度的传感器。通过将传感器正交堆叠并固定在物体表面，当传感器的敏感方向与物体的拉伸应变方向不一致时，可以测量物体的应变状态。Seung等人[26]使用各向异性银纤维/硅橡胶复合材料作为应变传感器的传感单元。通过将两个传感器以正交的“十字”层状结构排列在物体表面，他们能够测量任何方向的单轴拉伸应变。Gong等人[27]通过控制金纳米膜中预工程化裂纹的形状、大小和分布，制造了一种可以检测任何方向单轴拉伸应变的传感器阵列薄膜。他们展示了这种阵列薄膜在监测人体皮肤拉伸应变中的应用。虽然这种类型的柔性应变传感器可以分别检测物体任何方向的单轴拉伸应变，但它无法解决物体同时受到双轴拉伸应变时不同方向应变测量解耦的问题。

总之，当前的柔性应变传感器能够检测物体在单轴拉伸变形下的应变状态。然而，当物体同时受到双轴拉伸应变时，实现双轴拉伸应变的解耦测量仍然具有挑战性。单轴传感器通常通过形成阵列并使用算法手动解耦来解决这个问题；然而，不同的测试对象需要不同的解耦方法。对于多轴传感器，泊松比会导致主应变轴与其垂直轴之间的导电变化强烈耦合，在高应变条件下这种情况更加严重。因此，多维应变传感器的制造通常具有挑战性，并且生产成本较高。为了获得准确的应变值，传统方法需要精确对齐拉伸方向与主应变轴。然而，当测试物体同时受到双轴应变时，应变解耦变得极其复杂，使得准确的应变状态确定变得困难[26]。因此，本研究的主要目标是创建一种简单且成本效益高的传感器，能够在不需要解耦的情况下检测同时受到双轴拉伸的物体的应变。

本文的灵感来源于咽部峡部的结构。首先，提出了一种具有夹层腔体的双轴可伸展和单轴敏感的柔性液态金属应变传感器。其次，研究了传感器的操作原理，并设计了制造和封装过程。第三，在单轴和双轴拉伸条件下评估了所开发传感器的机械性能。最后，通过将其作为应变传感设备应用于三种不同的运动模式（扑翼飞机、人膝关节和长形气球），展示了该传感器的应用潜力。

结构设计

人类口腔与咽部之间的边界称为咽峡部，其结构如图1a所示。咽峡部的悬雍垂向上连接到软腭，并向下延伸至口腔内，但不与其他组织相连，通常保持悬浮状态并被一个腔体包围。吞咽时，软腭会伸展，导致悬雍垂接触喉部上方，从而封闭喉部与口腔之间的通道。

单轴拉伸机械性能表征的设置

使用图4所示的定制实验装置确定了传感器的单轴拉伸机械性能。拉伸应力是通过水平材料测试机（ZQ-980B，来自Zhiqu Precision Instruments）施加的。该测试机的力分辨率为0.01 N，位移分辨率为0.01 mm。其运动通过专用PC软件进行编程和控制。在单轴拉伸机械测试过程中，测量了传感器的电阻。

单轴拉伸下的机械性能

使用图4所示的装置，将传感器固定在10 mm × 10 mm的Ecoflex方形薄膜上，并对不同通道长度和直径的传感器进行了T方向和L方向的拉伸应变测试。图6a（通道直径为0.4 mm，长度分别为50 mm、40 mm、30 mm），图6b（通道直径为0.8 mm）和图6c（通道直径为1.2 mm）分别显示了传感器在0%–140%拉伸应变下的图像。

平面运动的解耦

在现实世界的应用中，许多机械传动结构在运行过程中会在多个方向上产生位移，例如扑翼飞机和传动轴承。本研究通过将传感器连接到扑翼飞机上来展示传感器在复杂位移结构中的潜力，以实现运动解耦。

图9a展示了扑翼装置和传感器测量的应变。

结论

受咽部峡部结构的启发，我们提出并分析了一种具有腔体夹层结构的新型液态金属柔性传感器。利用3D打印技术，我们制作了复合模具，并通过注塑成功制备了柔性封装体，然后注入并封装了敏感单元；该传感器的成本仅为0.22美元。

我们建立了一个实验平台来评估传感器的机械性能

CRediT作者贡献声明

吕晓洲：撰写——原始草稿、项目管理、方法论、研究。尹瑞静：正式分析、数据管理。李卓伦：研究。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（授权号：92271201）和陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2024JC-JCQN-61）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。