摘要：机械电子工程系院杨华勇院士团队徐凯臣、杨赓等人将激光制造技术用于软体材料的控形控性设计，实现了一种全软体的自驱动振动传感器，可用于曲面振源和人体运动的监测。利用红外激光的热加工能力制造了可拉伸的异形曲面碳电极，作为液态金属振子的活动腔；利用紫外脉冲激光的冷加工能力在复合材料表面加工微米尺度的纹理，解决了液态金属与表面黏附性问题。相关研究工作近日刊发于国际期刊Nano Energy（IF:19），欧阳小平教授、韩冬研究员等人对该工作提供了重要指导。
关键词：Nano Energy, 软体振动传感器，自驱动传感器，激光制造， 浙江大学
随着柔性电子技术的进步，本征柔软、可拉伸的传感器、执行器、储能器正在不断涌现并展现出应用于人机交互和服务场景的潜力。这些电子器件可共形贴附于曲面以及人体表皮，且与人体皮肤有较好的机械适配性，有利于穿戴舒适性和更广泛的使用场景。对于传感器，柔软的形态有助于减少被测体和传感器之间的微小间隙，这往往意味着更优越的热传导、力传导以及更小的接口阻抗，对提升传感器的性能有着至关重要的作用。
振动传感器可响应外部振源的激励并输出电信号。其信号的频率、幅值和变化趋势能有效地反应振源的运动模式以及深层信息。其中，自驱动式的振动传感器可直接俘获振源的能量并输出电压/电流信号，避免了对外部供电的依赖，有利于对振源进行长时间监测。然而，绝大部分商用的或被报道的自驱动振动传感器具有生硬的外表。一方面，这限制了其在曲面或者人体穿戴上的应用；另一方面，刚性振子的接触分离过程易产生磨损和噪音。
最近，流体动力与机电系统国家重点实验室徐凯臣、杨赓等人提出了一种全软体的自驱动振动传感器，可用于曲面振源和人体运动的监测。首先，该传感器采用镓铟锡液态金属液滴为振子，利用液态金属液滴和聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体的摩擦起电效应输出振动信号。不同于弹簧式振动传感器，基于自由液滴的振动传感器避免了共振现象以及摩擦起电过程中的损耗，有利于得到更均匀的响应信号和更持久的性能。另一方面，激光制造技术充分参与了传感器腔体的设计和制造：通过红外激光的热效应，在聚酰亚胺(PI)基底上碳化出折纸结构形状的平面电极，随后利用曲面转移技术将其转移到PDMS空腔的表面，构建了表面导电的弹性腔体；通过紫外脉冲激光的冷加工效应，调控激光的参数，在PDMS和碳表面分别雕刻微米尺度的网格阵列，避免了液态金属与相邻表面的黏附，确保振子在腔体中的自由运动。在应用部分，作者展示了该振动传感器用于监测空压机消音器的潜力。由于被固定在消音器的曲面上，传感器能识别到空压机的启动和停止，并且在消音器的螺纹松动时能输出异常信号。将该传感器穿戴在日常着装上时，它能对人体不同的运动强度给出合理的响应值，展现出用于健康管理和安全事故检测的潜力。
综上所述，该工作充分展现了激光制造技术在新型传感器加工方面的应用潜力，实现了一种全软体的振动传感器，为自驱动可穿戴系统的设计提供了新思路。
博士生罗华昱为论文第一作者，徐凯臣研究员、杨赓研究员为论文通讯作者。
论文信息：
A Fully Soft, Self-Powered Vibration Sensor by Laser Direct Writing
Huayu Luo, Yuyao Lu, Yuhong Xu, Geng Yang*, Songya Cui, Dong Han, Qitao Zhou, Xiaoping Ouyang, Huayong Yang, Tinghai Cheng, Kaichen Xu*
Nano Energy
DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107803