CN113551811B - 一种4d打印的多功能触觉传感器的设计方法 - Google Patents

一种4d打印的多功能触觉传感器的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法，采用多材料3D打印的方法对结构复杂的电容传感器进行制造；设计使用形状记忆聚合物加入电容传感器中；本发明不仅仅克服了开放式电容传感器不能感知刚性接触物的压力的缺点，还实现了平板电容传感器不能实现的触摸传感和电化学传感功能，实现了触觉传感器的真正的多功能性；本发明采用共面设计的开放式电容传感器结构3D打印传感器，它不仅可以用于应变和压力传感，还可以用于高灵敏度的触觉和电化学传感应用，而且通过4D打印形状记忆聚合物作为电容器的基底，使的电容器在热响应形状记忆的4D变化过程中，产生可调节的电容测试灵敏度及量程变化，实现4D打印的灵敏度和量程可调的智能传感器。

Description

一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法
技术领域
本发明涉及电子科学技术领域、并涉及增材制造(3D打印)领域，特别涉及一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法。
背景技术
20世纪90年代至今，触觉压力传感器以其高灵敏度、高分辨率、高灵活性的优点逐步向三维力测量、触觉成像和主动感知等方向发展，在智能机器人领域得到了广泛应用。尤其随着触觉传感技术的进步，其应用范围已经扩展到多种领域，在电子敏感皮肤、人造义肢、医疗检测等领域，触觉传感器有着广泛的应用空间。根据敏感机理的不同，触觉传感器可以分为：电容式、压阻式、压电式、超声式、磁敏式以及光电式，其中电容式、压阻式和压电式的研究与应用较为广泛。电容式触觉传感器具有良好的频率响应、高灵敏度、高空间分辨率和较大的动态范围等特性。在涉及多维力检测的状况下，压电、压阻式结构的触觉传感器不可避免地要面临多维力的解耦问题，大大增加了数据后处理的难度，而电容式结构则可以利用自身的结构特点避免这个问题。电容式触觉传感器内的微电容可以简化为由上、下两个电极层和中间的介质层组成，每个电极层上有相应的感应电极。
基于位移原理的电容式触觉传感器，一般采用下列两种方法来产生电容变化以实现外力的感测：1：两个极板之间重叠面积的变化；2：两个极板之间距离的变化；但是目前的触觉压力传感器都是静态的，不变的，这大大限制了为了智能化设备的发展和应用。
同时，多壁碳纳米管具有良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，其熔点是已知材料中最高的，其硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性；CNT和PDMS的复合材料，导电性可以由CNT的掺入量来控制，为了综合导电特性和3D打印所需要的粘性，CNT的掺入比率在6％-7％较好；
进一步的，形状记忆聚氨酯是一类热塑性塑料，机械性能良好，有着较宽玻璃化转变温度的形状记忆材料；采用其作为可变性打印材料，加热至玻璃化转变温度后，便可有玻璃态转变为橡胶态，完成形状变化，冷却至室温，便可维持其形状不变化；同时聚氨酯拥有较低的玻璃化转变温度，接近人体温度。
综上所述，本发明采用改变两极板间重叠面积与介质材料两种方法的融合来制备电容式传感器；结合4D打印的柔性电子器件的新概念，它为传感器的设计带了智能化的机会，使传感器本身不仅仅能够测量外界变化还能拥有“智商”使其自身拥有自适应、自调节、自修复等功能；本发明使用4D打印形状记忆聚合物用于电容式触觉传感器中，来实现传感器的量程和灵敏度的自适应，并通过结构设计，带来了平板电容实现不了的触觉以及电化学传感等功能，从而解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用改变两极板间重叠面积与介质材料两种方法的融合来制备电容式传感器，使用4D打印形状记忆聚合物用于电容式触觉传感器中，来实现传感器的量程和灵敏度的自适应，并通过结构设计，带来了平板电容实现不了的触觉以及电化学传感等功能的4D打印的多功能触觉传感器的设计方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法，包括：
步骤一：多层传感器制备
所述多层传感器具有基底层、电极层和按压层；
a)基底层制备
将聚氨酯材料置于50℃条件下，沿其长度方向拉伸20％-50％，之后冷却至30℃保持1分钟后卸载外力，得到拉伸后的基底层；
b)电极层制备
将重量比为1:12的多壁碳纳米管(CNT)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)在质量比为1:1的乙醇和乙酸乙酯混合溶液中混合、分散形成电极材料；
电极由2组梳子齿状结构相对插入构成，梳子齿高度范围在0.2-2㎜之间，梳子齿间距在0.1-0.3㎜之间；
c)按压层制备
按压层材料为Ecofle-0010硅橡胶；
步骤二：配制基底层形状记忆聚氨酯材料可打印的油墨
使用二氯甲烷将形状记忆聚氨酯充分溶解至实现挤出打印；
步骤三：配制电极材料可打印油墨
将多壁碳纳米管和PDMS材料以1：12的质量比加入到乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂中并通过行星搅拌机进行混合搅拌30min，后在80℃下挥发溶剂8h，制备出实现打印的CNT/PDMS复合打印油墨；
步骤四：使用多材料直写式3D打印机进行制备
根据设定的打印路径进行打印，每一层的打印路径均相同、且相互平行，每完成一层打印，打印台均下降一个打印层高度，再根据下一个打印层的沉积路径进行沉积；
打印后充分挥发溶剂；
步骤五：打印插指形电极层
利用多材料打印机的特点，采用半球形电极的制备；
根据掺入CNT的PDMS材料粘度，使用10mm/S的打印速度，在采用slicer3R进行模型切片后、进行打印，打印完成后在80℃下部分固化3h；
步骤六：上层按压层的制备
首先采用注模方法，制备与基底层相同大小的Ecofle-0010硅橡胶薄膜，经过除泡、固化之后在硅橡胶薄膜的一侧使用旋涂机，旋涂一层带有孔隙的PDMS层；
步骤七：粘接固定
使用硅胶粘结剂将上层的按压层硅橡胶薄膜与下层的基底粘结在一起，完成整个电容传感器的制备。
进一步的，所述基底层厚度为0.5-3㎜。
进一步的，所述电极层通过材料挤出3D打印方法打印在步骤一中拉伸后的基底层上。
进一步的，所述按压层厚度范围在0.8-2.2㎜之间；
所述按压层与电极层的接触面涂覆一层厚度范围在0.3-0.8㎜之间的PDMS材料。
进一步的，通过加热方式改变多层传感器的灵敏度和量程，加热温度范围为35-50℃之间。
进一步的，所述步骤三中打印底层形状记忆聚氨酯基底，通过按长度方向单方向进行打印，打印填充率设置为100％，打印厚度为0.8mm，打印速度为20mm/s。
进一步的，所述步骤五中带有孔隙的PDMS材料，通过在PDMS材料中加入5％的NACL颗粒、并经过旋涂固化后，放入水中进行溶解以形成多孔结构；
所述多孔结构按压后，填入电极间时增加电容传感器的灵敏度。
进一步的，通过去除所述按压层以实现多层传感器感知触摸。
在上述技术方案中，本发明提供的一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法，具有以下有益效果：
1、能够实现基于形状记忆功能的触觉压力传感器的灵敏度和量程的自适应智能切换；
2、通过特殊的电容器结构设计，使用翻揭式按压层设计，克服了开放电极不能测试刚性接触物的压力的缺点和平板电容传感器不能实现触觉和电化学传感的缺点；
3、通过改变打印的电极高度、间距及按压层下表面材料介电性能，可以实现电容传感器初始灵敏度及量程的编程；
4、低成本和简易制造的创新方法，避免了复杂的材料制备和复杂的制造方法。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法中多功能触觉传感器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法中打印成型后的实物结构图；
图3为本发明提供的一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法中电极层采用不同电极间距的设计参数的结构示意图；
图4为本发明提供的一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法中电极层电极间距的设计参数的数据框图；
图5为本发明提供的一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法中4D打印的形状记忆电容传感器的形状记忆过程中形变示意图；
图6为本发明提供的一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法中4D打印的形状记忆电容传感器的形状记忆过程中形变带来的电容传感器的初始电容的变化规律图；
图7为本发明提供的一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法中形状记忆电容传感器的形状记忆过程中传感器调节量程和灵敏度的原理图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
参见图1～图7所示；
本发明的一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法，包括：
步骤一：多层传感器制备
多层传感器具有基底层、电极层和按压层；
a)基底层制备
将聚氨酯材料置于50℃条件下，沿其长度方向拉伸20％-50％，之后冷却至30℃保持1分钟后卸载外力，得到拉伸后的基底层；
b)电极层制备
将重量比为1:12的多壁碳纳米管(CNT)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)在质量比为1:1的乙醇和乙酸乙酯混合溶液中混合、分散形成电极材料；
电极由2组梳子齿状结构相对插入构成，梳子齿高度范围在0.2-2㎜之间，梳子齿间距在0.1-0.3㎜之间；
c)按压层制备
按压层材料为Ecofle-0010硅橡胶；
步骤二：配制基底层形状记忆聚氨酯材料可打印的油墨
使用二氯甲烷将形状记忆聚氨酯充分溶解至实现挤出打印；
步骤三：配制电极材料可打印油墨
将多壁碳纳米管和PDMS材料以1：12的质量比加入到乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂中并通过行星搅拌机进行混合搅拌30min，后在80℃下挥发溶剂8h，制备出实现打印的CNT/PDMS复合打印油墨；
步骤四：使用多材料直写式3D打印机进行制备
根据设定的打印路径进行打印，每一层的打印路径均相同、且相互平行，每完成一层打印，打印台均下降一个打印层高度，再根据下一个打印层的沉积路径进行沉积；
打印后充分挥发溶剂；
步骤五：打印插指形电极层
利用多材料打印机的特点，采用半球形电极的制备；
根据掺入CNT的PDMS材料粘度，使用10mm/S的打印速度，在采用slicer3R进行模型切片后、进行打印，打印完成后在80℃下部分固化3h；
步骤六：上层按压层的制备
首先采用注模方法，制备与基底层相同大小的Ecofle-0010硅橡胶薄膜，经过除泡、固化之后在硅橡胶薄膜的一侧使用旋涂机，旋涂一层带有孔隙的PDMS层；
步骤七：粘接固定
使用硅胶粘结剂将上层的按压层硅橡胶薄膜与下层的基底粘结在一起，完成整个电容传感器的制备。
基底层厚度为0.5-3㎜。
电极层通过材料挤出3D打印方法打印在步骤一中拉伸后的基底层上。
按压层厚度范围在0.8-2.2㎜之间；
按压层与电极层的接触面涂覆一层厚度范围在0.3-0.8㎜之间的PDMS材料。
通过加热方式改变多层传感器的灵敏度和量程，加热温度范围为35-50℃之间。
步骤三中打印底层形状记忆聚氨酯基底，通过按长度方向单方向进行打印，打印填充率设置为100％，打印厚度为0.8mm，打印速度为20mm/s。
步骤五中带有孔隙的PDMS材料，是通过在PDMS材料中加入5％的NACL颗粒、并经过旋涂固化后，放入水中进行溶解以形成多孔结构；
多孔结构按压后，填入电极间时增加电容传感器的灵敏度。
通过去除按压层以实现多层传感器感知触摸。
实施例一：
将聚氨酯材料置于50℃条件下，沿其长度方向拉伸40％，之后冷却至30℃保持1分钟后卸载外力，得到拉伸后的基底层；将重量比为1:12的多壁碳纳米管(CNT)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)在质量比为1:1的乙醇和乙酸乙酯混合溶液中混合、分散形成电极材料；电极由2组梳子齿状结构相对插入构成，梳子齿高度为0.2㎜之间，梳子齿间距为0.1㎜；按压层材料为Ecofle-0010硅橡胶；使用二氯甲烷将形状记忆聚氨酯充分溶解至实现挤出打印；将多壁碳纳米管和PDMS材料以1：12的质量比加入到乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂中并通过行星搅拌机进行混合搅拌30min，后在80℃下挥发溶剂8h，制备出实现打印的CNT/PDMS复合打印油墨；根据设定的打印路径进行打印，每一层的打印路径均相同、且相互平行，每完成一层打印，打印台均下降一个打印层高度，再根据下一个打印层的沉积路径进行沉积；
打印后充分挥发溶剂；利用多材料打印机的特点，采用半球形电极的制备；根据掺入CNT的PDMS材料粘度，使用10mm/S的打印速度，在采用slicer3R进行模型切片后、进行打印，打印完成后在80℃下部分固化3h；首先采用注模方法，制备与基底层相同大小的Ecofle-0010硅橡胶薄膜，经过除泡、固化之后在硅橡胶薄膜的一侧使用旋涂机，旋涂一层带有孔隙的PDMS层；使用硅胶粘结剂将上层的按压层硅橡胶薄膜与下层的基底粘结在一起，完成整个电容传感器的制备；其中，基底层厚度为0.5㎜，电极层通过材料挤出3D打印方法打印在步骤一中拉伸后的基底层上；按压层厚度为0.8㎜；按压层与电极层的接触面涂覆一层厚度为0.3㎜的PDMS材料；通过加热方式改变多层传感器的灵敏度和量程，加热温度为35℃；打印底层形状记忆聚氨酯基底，通过按长度方向单方向进行打印，打印填充率设置为100％，打印厚度为0.8mm，打印速度为20mm/s。
实施例二：
将聚氨酯材料置于50℃条件下，沿其长度方向拉伸30％，之后冷却至30℃保持1分钟后卸载外力，得到拉伸后的基底层；将重量比为1:12的多壁碳纳米管(CNT)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)在质量比为1:1的乙醇和乙酸乙酯混合溶液中混合、分散形成电极材料；电极由2组梳子齿状结构相对插入构成，梳子齿高度为1㎜之间，梳子齿间距为0.2㎜；按压层材料为Ecofle-0010硅橡胶；使用二氯甲烷将形状记忆聚氨酯充分溶解至实现挤出打印；将多壁碳纳米管和PDMS材料以1：12的质量比加入到乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂中并通过行星搅拌机进行混合搅拌30min，后在80℃下挥发溶剂8h，制备出实现打印的CNT/PDMS复合打印油墨；根据设定的打印路径进行打印，每一层的打印路径均相同、且相互平行，每完成一层打印，打印台均下降一个打印层高度，再根据下一个打印层的沉积路径进行沉积；
打印后充分挥发溶剂；利用多材料打印机的特点，采用半球形电极的制备；根据掺入CNT的PDMS材料粘度，使用10mm/S的打印速度，在采用slicer3R进行模型切片后、进行打印，打印完成后在80℃下部分固化3h；首先采用注模方法，制备与基底层相同大小的Ecofle-0010硅橡胶薄膜，经过除泡、固化之后在硅橡胶薄膜的一侧使用旋涂机，旋涂一层带有孔隙的PDMS层；使用硅胶粘结剂将上层的按压层硅橡胶薄膜与下层的基底粘结在一起，完成整个电容传感器的制备；其中，基底层厚度为1㎜，电极层通过材料挤出3D打印方法打印在步骤一中拉伸后的基底层上；按压层厚度为1.5㎜；按压层与电极层的接触面涂覆一层厚度为0.5㎜的PDMS材料；通过加热方式改变多层传感器的灵敏度和量程，加热温度为40℃；打印底层形状记忆聚氨酯基底，通过按长度方向单方向进行打印，打印填充率设置为100％，打印厚度为0.8mm，打印速度为20mm/s。
实施例三：
将聚氨酯材料置于50℃条件下，沿其长度方向拉伸30％，之后冷却至30℃保持1分钟后卸载外力，得到拉伸后的基底层；将重量比为1:12的多壁碳纳米管(CNT)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)在质量比为1:1的乙醇和乙酸乙酯混合溶液中混合、分散形成电极材料；电极由2组梳子齿状结构相对插入构成，梳子齿高度为1.5㎜之间，梳子齿间距为0.3㎜；按压层材料为Ecofle-0010硅橡胶；使用二氯甲烷将形状记忆聚氨酯充分溶解至实现挤出打印；将多壁碳纳米管和PDMS材料以1：12的质量比加入到乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂中并通过行星搅拌机进行混合搅拌30min，后在80℃下挥发溶剂8h，制备出实现打印的CNT/PDMS复合打印油墨；根据设定的打印路径进行打印，每一层的打印路径均相同、且相互平行，每完成一层打印，打印台均下降一个打印层高度，再根据下一个打印层的沉积路径进行沉积；
打印后充分挥发溶剂；利用多材料打印机的特点，采用半球形电极的制备；根据掺入CNT的PDMS材料粘度，使用10mm/S的打印速度，在采用slicer3R进行模型切片后、进行打印，打印完成后在80℃下部分固化3h；首先采用注模方法，制备与基底层相同大小的Ecofle-0010硅橡胶薄膜，经过除泡、固化之后在硅橡胶薄膜的一侧使用旋涂机，旋涂一层带有孔隙的PDMS层；使用硅胶粘结剂将上层的按压层硅橡胶薄膜与下层的基底粘结在一起，完成整个电容传感器的制备；其中，基底层厚度为2㎜，电极层通过材料挤出3D打印方法打印在步骤一中拉伸后的基底层上；按压层厚度为2㎜；按压层与电极层的接触面涂覆一层厚度为0.8㎜的PDMS材料；通过加热方式改变多层传感器的灵敏度和量程，加热温度为45℃；打印底层形状记忆聚氨酯基底，通过按长度方向单方向进行打印，打印填充率设置为100％，打印厚度为0.8mm，打印速度为20mm/s。
本发明具有以下有益效果：
1、采用多材料3D打印的方法对结构复杂的电容传感器进行制造，具有工艺简单、成本低等优点；有利于进一步大规模生产及应用于多种可穿戴电子设备中；
2、设计使用形状记忆聚合物加入电容传感器中，实现了触觉传感器从静态到动态自适应的变化，使传感器的智能性得到大幅度提高，产生量程可调，灵敏度可调，热响应随时切换的多功能；且使用的聚氨酯具有很好的形状记忆特性，能够快速的变形成所预设的形状；聚氨酯的力学性能优异，能够长时间的维持变形后的形状；该方法打印出的传感器与传统的传感器相比，具有自适应、智能响应等优点；
3、本发明通过特殊的结构设计和制备手段，不仅仅克服了开放式电容传感器不能感知刚性接触物的压力的缺点，还实现了平板电容传感器不能实现的触摸传感和电化学传感功能，实现了触觉传感器的真正的多功能性。
本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (1)

1.一种4D打印的多功能触觉传感器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：多层传感器制备
所述多层传感器具有基底层、电极层和按压层；
a)基底层制备
将聚氨酯材料置于50℃条件下，沿其长度方向拉伸20％-50％，之后冷却至30℃保持1分钟后卸载外力，得到拉伸后的基底层；
b)电极层制备
将重量比为1:12的多壁碳纳米管CNT和聚二甲基硅氧烷PDMS在质量比为1:1的乙醇和乙酸乙酯混合溶液中混合、分散形成电极材料；
电极由2组梳子齿状结构相对插入构成，梳子齿高度范围在0.2-2㎜之间，梳子齿间距在0.1-0.3㎜之间；
c)按压层制备
按压层材料为Ecofle-0010硅橡胶；
步骤二：配制基底层形状记忆聚氨酯材料可打印的油墨
使用二氯甲烷将形状记忆聚氨酯充分溶解至实现挤出打印；
步骤三：配制电极材料可打印油墨
将多壁碳纳米管和PDMS材料以1：12的质量比加入到乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂中并通过行星搅拌机进行混合搅拌30min，后在80℃下挥发溶剂8h，制备出实现打印的CNT/PDMS复合打印油墨；
步骤四：使用多材料直写式3D打印机进行制备
根据设定的打印路径进行打印，每一层的打印路径均相同、且相互平行，每完成一层打印，打印台均下降一个打印层高度，再根据下一个打印层的沉积路径进行沉积；
打印后充分挥发溶剂；
步骤五：打印插指形电极层
利用多材料3D打印能够打印复杂形状的优势，打印横截面为半球形的插指电极；
根据掺入CNT的PDMS材料粘度，使用10mm/S的打印速度，在采用slicer3R进行模型切片后、进行打印，打印完成后在80℃下部分固化3h；
步骤六：上层按压层的制备
首先采用注模方法，制备与基底层相同大小的Ecofle-0010硅橡胶薄膜，经过除泡、固化之后在硅橡胶薄膜的一侧使用旋涂机，旋涂一层带有孔隙的PDMS层；
步骤七：粘接固定
使用硅胶粘结剂将上层的按压层硅橡胶薄膜与下层的基底粘结在一起，完成整个电容传感器的制备；
所述基底层厚度为0.5-3㎜；
所述电极层通过材料挤出3D打印方法打印在步骤一中拉伸后的基底层上；
所述按压层厚度范围在0.8-2.2㎜之间；
所述按压层与电极层的接触面涂覆一层厚度范围在0.3-0.8㎜之间的PDMS材料；
通过加热方式改变多层传感器的灵敏度和量程，加热温度范围为35-50℃之间；
所述步骤三中打印底层形状记忆聚氨酯基底，通过按长度方向单方向进行打印，打印填充率设置为100％，打印厚度为0.8mm，打印速度为20mm/s；
所述步骤六中带有孔隙的PDMS层，通过在PDMS材料中加入5％的NACL颗粒、并经过旋涂固化后，放入水中进行溶解以形成多孔结构；
所述多孔结构按压后，填入电极间时增加电容传感器的灵敏度；
利用翻揭式按压层设计实现压力、触觉和电化学的多功能传感。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114081499B (zh) * 2021-11-23 2024-01-12 吉林大学 一种具有二梯度孔的柔性透气表面肌电电极及其制备方法
DE102022202617A1 (de) * 2022-03-16 2023-09-21 Benecke-Kaliko Aktiengesellschaft Kapazitiver Drucksensor
CN117539366A (zh) * 2024-01-09 2024-02-09 基合半导体（宁波）有限公司 电容式检测结构及电子设备

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105618739A (zh) * 2015-12-24 2016-06-01 中国电子科技集团公司第四十九研究所 传感器敏感芯体的快速制造方法
JP7176411B2 (ja) * 2016-08-25 2022-11-22 日本電気株式会社 フレキシブル電極及びセンサー素子
US10932721B2 (en) * 2017-05-31 2021-03-02 Iowa State University Research Foundation, Inc. High-resolution patterning and transferring of functional nanomaterials toward massive production of flexible, conformal, and wearable sensors of many kinds on adhesive tapes
CN109705313B (zh) * 2019-01-22 2021-03-19 苏州大学 一种热适性形状记忆聚合物及其应用方法
WO2021081146A1 (en) * 2019-10-22 2021-04-29 Auburn University 3d printing of additive-free mxene ink for fabrication of micro-supercapacitors with ultra high energy density
CN111169104B (zh) * 2019-12-31 2024-06-18 浙江清华柔性电子技术研究院 柔性基底、柔性电子器件、柔性基底刚度调节方法及应用
CN111572019B (zh) * 2020-06-03 2021-04-27 浙江大学 基于声表面波的形状记忆复合构件可控变形三维打印方法
CN112964283B (zh) * 2021-01-30 2022-12-16 北京工业大学 一种柔性叉指电容传感器结构及其制备方法
CN113237418B (zh) * 2021-04-30 2022-02-08 哈尔滨工业大学 一种具有多重灵敏度的柔性传感器的制备方法及灵敏度调控方法

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