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主要作者与机构

本研究的主要作者包括Shih-Feng Tseng、Jian-Wei Huang、Chang-Chun Lee和Chil-Chyuan Kuo。他们分别来自国立台北科技大学机械工程系、国立清华大学动力机械工程系、明志科技大学机械工程系和长庚大学机械工程系。该研究发表于2025年的《Journal of Alloys and Compounds》期刊。

学术背景

本研究属于柔性传感器领域，特别是基于电镀铜/激光诱导石墨烯（Cu/LIG）复合材料的高灵敏度柔性应变传感器。随着机器人手臂、运动平台等传输系统的广泛应用，长期高频操作可能导致部件磨损或损坏，进而引发系统异常振动，影响产品质量。因此，早期检测传输系统的潜在问题并进行修复至关重要。传统的检测技术如视觉识别、超声波检测、加速度计等存在一定局限性，而柔性应变传感器因其低制造成本、高可靠性、快速响应、安装简便等优势，在机械或结构变形监测、人体运动检测、人机交互等领域具有广泛应用前景。

研究流程

本研究主要包括以下几个步骤：

1. Cu/LIG基应变传感器的制备：首先，使用紫外激光图案化技术在聚酰亚胺（PI）薄膜上诱导石墨烯网格电极。设计了五种不同线宽（0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mm）的网格电极。然后，通过电镀技术在石墨烯网格电极上镀铜，形成Cu/LIG复合材料。电镀过程中，正负极分别连接到铜片和石墨烯电极，浸入硫酸铜溶液中，输入电压和电流分别为6 V和6 mA。最后，使用PDMS溶液封装传感器，防止环境湿度和铜膜氧化影响响应信号。

2. LIG参数与机制：使用高脉冲精度紫外激光加工机在PI薄膜上诱导石墨烯网格电极。激光参数包括激光能量密度45.71 J/cm²、扫描距离70 μm、扫描速度125 mm/s、光束直径250 μm、脉冲重复频率50 kHz。通过离焦方法避免激光能量过高导致材料烧蚀和PI薄膜破裂。

3. 表征与分析：使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析Cu/LIG复合材料的形貌、结晶度和元素组成。通过单柱万能试验机在室温下进行拉伸测试，使用超精密功率计记录传感器信号。

4. 性能测试：在不同应变范围内测试传感器的电阻变化率，计算应变系数（GF）。在-80°C至140°C的温度范围内测试传感器的温度敏感性，计算温度系数（TCR）。进行1000次拉伸/释放循环测试，评估传感器的重复性、稳定性和耐久性。

5. 应用测试：将传感器应用于人体关节运动检测、晶圆处理臂和超声波振动平台的微振动监测，验证其在实际应用中的性能。

主要结果

1. 传感器性能：当网格电极线宽为0.1 mm、电镀时间为1分钟时，传感器响应最高。在0-3%、3-6%和6-8%的应变范围内，GF分别为7.67、44.29和414.69。传感器的最大应变范围可达8%，表现出良好的重复性、稳定性和耐久性。在-80°C至140°C的温度范围内，TCR分别为0.0295、0.0377、0.055、0.035和0.027°C⁻¹。

2. 表征结果：SEM显示Cu/LIG复合材料具有多孔石墨烯结构，铜离子填充在多孔结构中，形成类似花椰菜的表面形貌。XRD和XPS分析证实了铜元素的存在，且随着电镀时间的增加，铜含量显著增加。

3. 应用测试结果：传感器在检测人体关节运动、晶圆处理臂和超声波振动平台的微振动时表现出优异的灵敏度、重复性和稳定性。

结论

本研究提出了一种基于电镀Cu/LIG复合材料的高灵敏度柔性应变传感器。通过调整网格电极线宽和电镀时间，可以控制传感器的响应。该传感器在宽应变范围内表现出高灵敏度、良好的重复性和稳定性，适用于人体运动检测和系统振动监测。未来的研究可以进一步探索其在桥梁、建筑物、隧道结构等变形监测中的应用。

研究亮点

1. 高灵敏度：在6-8%的应变范围内，GF高达414.69，表现出极高的灵敏度。
2. 宽应变范围：传感器的最大应变范围可达8%，适用于多种应用场景。
3. 良好的环境适应性：在-80°C至140°C的温度范围内，传感器表现出稳定的性能。
4. 实际应用验证：传感器在人体关节运动检测和微振动监测中表现出优异的性能，验证了其实际应用价值。

其他有价值的内容

本研究还探讨了传感器在不同温度下的性能，提供了详细的温度系数数据，为传感器在极端环境下的应用提供了参考。此外，研究还展示了传感器在晶圆处理臂和超声波振动平台上的微振动监测能力，进一步拓宽了其应用范围。

通过本研究，开发了一种高性能的柔性应变传感器，为机械变形监测、人体运动检测和系统振动监测提供了新的解决方案。