上海交通大学AFM: 用于可弯曲交互界面的柔性应变传感阵列

【引言】

在过去的几十年中，具有“交互界面”的手持式信息终端的开发取得了重大的技术进步。该界面集成了输入和输出功能，以实现更直观的交互功能，诸如：液晶显示 (LCD)和有机发光二极管(OLED)等显示技术被普遍用作“输出”端，而显示屏集成的电阻、电容、光学或压电传感作为“输入”端，用于识别各种姿态，包括触摸，按下和滑动等。这些传感器技术使显示器具有更多的交互功能。随着柔性显示技术的发展，利用其柔性可变形的特性，“弯曲”可作为一种自然的 “输入”方式，用于构造新型的交互界面。一种简单的实现方法是将应变传感器阵列与显示屏集成，从而能够测量显示屏弯曲所产生的应变分布，以识别弯曲的位置、方向与强度。为了构建大面积的柔性应变传感器阵列，不同区域之间的互连对于实现所需的应力监测的灵敏度以及耐用性至关重要。互连材料应具有足够好的电导率和合适的机械力学性能。

【成果简介】

近日，上海交通大学郭小军教授和陈苏杰（共同通讯作者）在这项工作中，通过将炭黑(CB)与聚二甲基硅氧烷(PDMS)和Ecoflex(CB-PDMS/Ecofle)混合，开发出了一种可拉伸的导电互连材料，用于制造应变传感器阵列。这种导电互连材料与用于易加工的刮涂工艺具有很好的相容性，并且具有与由银纳米线(AgNWs)和PDMS组成的传感区域相似的低杨氏模量。进一步开发了柔性应变传感器阵列的印刷制造工艺，实现了4×9的传感器阵列。结果表明，CB-PDMS/Ecoflex互连层可以在传感区域和Ag导线之间形成可靠的互连，在3000次以上的循环弯曲测试下保持良好的性能。将应变传感器阵列与柔性有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示屏集成在一起，构造了可弯曲的交互式界面，验证了通过“弯曲”姿态控制显示画面中球运动的功能。相关研究成果“Printed Flexible Strain Sensor Array for Bendable Interactive Surface”为题发表在Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图一传感器结构力学仿真和系统集成结构示意图

（a）传统应变传感器结构的示意图。

（b）提出的应变传感器结构示意图。

（c）将柔性AMOLED显示面板和应变传感器阵列与系统电路图集成在一起的可弯曲交互式界面的概念示意图。

图二传感器的力学和电学测试

（a）传感器的各部分组成。

（b）用PI胶带对丝网印刷的Ag电极表面上的CB-PDMS和CB-PDMS/Ecoflex进行附着力测试。

（c）CB-PDMS，CB-PDMS/Ecoflex和PDMS/AgNW膜在不同应变下测得的应力。

（d）在使用和不使用CB-PDMS/Ecoflex互连层的情况下，在不同应变下，传感膜的相对电阻变化(ΔR/ R0)。

图三弯曲传感器阵列性能测试

（a）提出的应变传感器阵列结构，包括用于互连布线的丝网印刷银浆，用于弹性传感区域的弹性体（PDMS）和银纳米线（AgNWs）的混合物以及用于互连层的不同弹性导体材料。

（b）完整的4×9应变传感器阵列的光学图像。

（c）使用CB-PDMS/Ecoflex互连层的传感器在约5％的应变下进行3000多次弯曲循环过程中测得的传感器的ΔR/ R0的变化。

（d）在不同弯曲程度导致的应变下测得的ΔR/ R0值，在每种条件下重复测试5次。

图四可弯曲的交互式表面

（a）通过光学透明粘合剂（OCA）和PI胶带将传感器阵列层贴合到柔性AMOLED显示面板的背面制成可弯曲交互式表面的光学图像。

（b）在不同的弯曲模式下阵列上各个传感器（ΔR/ R0）响应分布图，用以表示应变分布。

（c）演示使用可弯曲的交互式表面来控制球在显示器上的运动，并使用外部计算机来简化演示。

【小结】

这项工作通过利用AMOLED显示屏的柔性和可变形特性，展示了使用弯曲姿态作为输入的新型交互式表面。 它是通过将柔性应变传感器阵列与柔性AMOLED显示器集成在一起以测量应变分布轮廓以识别弯曲的位置、方向和强度来实现的。为了在传感器阵列中的弹性敏感区域和刚性接触区域之间形成可靠的互连，以实现所需的局部灵敏度和耐用性，可拉伸导电复合材料CB-PDMS/Ecoflex的互连层被添加到接触区域的顶部。根据提出的设计和互连层材料，开发了印刷工艺以制造4×9柔性应变传感器阵列。最后，通过将应变传感器阵列与柔性AMOLED显示器集成在一起，实现了可弯曲的交互式表面，并展示了其通过弯曲姿态控制球运动的能力。这项工作将扩展交互式显示中的姿态识别的边界范围并获得广泛的应用。

文献链接：“Printed Flexible Strain Sensor Array for Bendable Interactive Surface”(DOI: 10.1002/adfm.202003214)

本文由材料人微观世界编译供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

欢迎大家到材料人宣传滚球体育 成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu。