Stretchable Strain Sensors Based on Conductive Microspheres

Tragbare Elektronik, Mensch-Maschine-Schnittstellen und Soft-Robotik gehören zu den vielfältigen zukünftigen Anwendungen, die von der Entwicklung hochpräziser dehnbarer Dehnungssensoren profitieren werden. Insbesondere die mechanische Anpassungsfähigkeit, die additiven Fertigungsmethoden und die große Sensorfläche machen die dehnbaren Dehnungssensoren zu einer komplementären Technologie zu den modernen Sensoren auf Siliziumbasis. Die dehnbaren Dehnungssensoren erhalten ihre Verformbarkeit durch das vorhandene Elastomer in ihrer Struktur, ein Schlüsselelement, das wie ein zweischneidiges Schwert wirkt. ... mehrDer Hauptvorteil besteht darin, dass das Elastomer eine reversible Verformung des leitfähigen Netzwerks in Bereichen ermöglicht, die für herkömmliche MEMS-Sensoren auf Siliziumbasis nicht zugänglich sind. Ein Ungleichgewicht in der Beweglichkeit der Elastomerkette und der Spannungsverteilung im leitfähigen Netzwerk führt jedoch zu elektromechanischen hysteretischen Effekten, die einen reibungslosen Übergang vom Labor zur Fertigung verhindern. Darüber hinaus haben sich die Geometrie des leitenden Elements und seine Schnittstelle mit dem Elastomer als entscheidende Faktoren für die Bestimmung der wichtigsten Leistungskennzahlen des Sensors erwiesen.
In diesem Zusammenhang haben über ein Jahrzehnt hinweg zahlreiche Studien zur Verbesserung der Leistung von dehnbaren Dehnungssensoren durch neuartige Sensormaterialien und Strukturtechniken zu einer ständigen Weiterentwicklung der Sensorkonzepte geführt. Trotz der zahlreichen Veröffentlichungen konzentrierten sich die meisten Berichte darauf, ein zweites leitfähiges oder isolierendes Material zwischen den Haupterfassungselementen einzubauen, um entweder die Dehnbarkeit oder die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen. Um die mechanische Robustheit des Sensors zu erhöhen, wird häufig das aktive Sensormaterial in ein zweites Elastomer eingekapselt. Beide Ansätze gehen zu Lasten der Einfachheit und Kosteneffizienz der Herstellungsprozesse. Hohe Dehnbarkeit und mechanische Robustheit sind zwar wichtige Leistungsmerkmale, doch letztlich bestimmen die anwendungsspezifischen Anforderungen die Schlüsselbereiche, die einer Modifizierung bedürfen. Abgesehen von der Erkennung menschlicher Bewegungen, einem Anwendungsbereich, dem in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit geschenkt wurde, hat bei den meisten intelligenten Sensoranwendungen neben einer hohen Reproduzierbarkeit die Erkennung kleiner Dehnungen mit hoher Auflösung eine höhere Priorität.
Der Hauptbeitrag dieser Arbeit besteht darin, die Grenzen der Sensorik zu erweitern, indem unkonventionelle leitfähige Mikrokugeln in die Matrix eines bisher wenig erforschten Elastomers, EVA, eingebettet werden. Der Einsatz von additiven Fertigungstechniken wie dem Schablonendruck und dem Nassspinnen in dieser Arbeit bietet wirtschaftlich tragfähige Optionen mit angepassten Fertigungsmöglichkeiten und geringem Materialabfall. Strukturelle Untersuchungen sowohl an gedruckten als auch an nassgesponnenen Sensoren zeigen zunächst die entscheidende Rolle des Elastomertyps und seiner Schnittstelle zu leitfähigen Mikrokugeln. Obwohl die 35-µm-Mikrokugeln im Vergleich zu den 4-µmMikrokugeln eine niedrigere Nachweisgrenze und eine höhere Empfindlichkeit bieten, ist die Dehnbarkeit des Sensors insbesondere durch das Auftreten einer elektromechanischen Hysterese bei wiederholten Zyklen begrenzt. Dies unterstreicht die Bedeutung der Partikelgröße für die Nachweisgrenze und die Empfindlichkeit. Darüber hinaus weist der gedruckte Sensor bei Verwendung von 4 µm großen Mikrokugeln vielversprechende Eigenschaften wie eine hohe Reproduzierbarkeit auf. Basierend auf den 4 µm-Mikrokugeln werden die gedruckten Sensoren dann für die Stoßerkennung und die Überwachung der Membranausdehnung untersucht, wobei die mechanische Beständigkeit gegenüber Überlastungen und die hohe Empfindlichkeit nachgewiesen werden. Rückblickend lässt sich feststellen, dass ein limitierender Faktor für die Erweiterung der Mindestdetektionsgrenze und der Auflösung das Vorliegen eines dehnbaren Substrats mit einem höheren Elastizitätsmodul im Vergleich zum Komposit ist. Dies unterstreicht die Bedeutung der mechanischen Kompatibilität des Substrats mit dem Elastomer. Daher konzentriert sich der folgende Teil dieser Arbeit auf die Entwicklung eines substratfreien Sensors auf der Grundlage desselben Komposits (4 µm Mikrokugeln und EVA). Nicht zuletzt führte diese Studie zur ersten Demonstration des Einsatzes eines piezoresistiven dehnbaren Dehnungssensors für die Echtzeitüberwachung der Batterieausdehnung. Dieser Ansatz ermöglicht eine Rekord niedrige Detektionsgrenze und Auflösung sowie eine schnelle Antwortzeit (16 < ms), Eigenschaften, die für kleine Dehnungssensoranwendungen besonders attraktiv sind.

Wearable electronics, human-machine interfacing, and soft robotics are among the diverse future applications that will benefit from the development of high-precision stretchable strain sensors. Specifically offering mechanical conformability while allowing for additive manufacturing methods and a high sensing surface make the stretchable strain sensors a complementary technology to the state-of-the-art rigid silicon-based sensors. The stretchable strain sensors owe their deformability to the presence of an elastomer in their structure, a key element that acts as a double-edged sword. ... mehrAs the main advantage, the elastomer allows for conductive network deformation reversibly in ranges unavailable to conventional silicon-based MEMS sensors. However, an unbalance in the elastomer chain mobility and strain distribution in the conductive network engenders electromechanical hysteretic effects hindering the smooth lab-to-fab transition. Moreover, the conductive element’s geometry and its interface with the elastomer have proven to be crucial factors in determining the key sensor performance metrics.
In this context, over a decade numerous studies into improving the performance of stretchable strain sensors through novel sensing material and structure engineering have led to constant advancement of sensor concepts. Notwithstanding the body of works, to extend either the stretchability or the sensitivity of the sensor the majority of the reports have focused on incorporating a second conductive or insulating material in between the main sensing elements. To increase the mechanical robustness of the sensor, encapsulating the active sensing material into a second elastomer has been a path commonly taken. Both of these approaches sacrifice the simplicity and cost-effectiveness of the fabrication processes.
While high stretchability and mechanical robustness are important performance characteristics, ultimately the application-specific requirements determine the key areas in need of modification. For example except for human-motion detection, an application area that has received extensive attention in recent years, in most smart sensing applications, apart from high reproducibility, small strain sensing with high resolution has a higher priority.
To this end, the primary contribution of this work is extending the limits of sensing by embedding unconventional conductive microspheres into the matrix of an underexplored elastomer, EVA. Employing additive manufacturing techniques such as stencil printing and wet-spinning in this work offers economically viable options with customized fabrication possibilities and low material waste. At the outset, structural studies on both printed and wet-spun sensors reveal the decisive role of the elastomer type and its interface with conductive microspheres. Although the 35 µm microspheres provide a lower detection limit and a higher sensitivity compared to the 4 µm microspheres, the sensor’s stretchability is limited especially due to the onset of electromechanical hysteresis under repetitive cycles. This highlights the importance of particle size on the sensing limit and the sensitivity. Further, using 4 µm microspheres the performance of the printed sensor exhibits promising characteristics such as high reproducibility. Based on the 4 µm microspheres, the printed sensors are then investigated for impact sensing and diaphragm expansion monitoring wherein mechanical durability to overload strain and high sensitivity are demonstrated. In hindsight, one limiting factor for extending the minimum detection limit and resolution is identified as the presence of the stretchable substrate with a higher elastic modulus compared to the composite. This underlines the importance of the mechanical compatibility of the substrate with the elastomer. Therefore, the subsequent part of this work focuses on developing a substrate-free sensor based on the same composite (4 µm microspheres and EVA). This approach yields a record low detection limit and resolution and a fast response time (16 < ms), characteristics particularly attractive for small strain sensing applications. Last but not least, this study led to the first demonstration of employing a piezoresistive stretchable strain sensor for real-time battery expansion monitoring.