НОВОСТИ О ФТОРОПЛАСТАХ

 

Среди различных форм доступных гибких датчиков - датчики силы имеют важное значение, поскольку они переводят механические силы, включая напряжение, давление, вибрацию, крутящий момент и деформацию в электрические сигналы. В последние годы стандартные процедуры производства гибких датчиков силы больше не соответствуют требованиям новейших сложных и персонализированных конструкций.

Поэтому сейчас для их изготовления используется технология 3D-печати. Эта передовая технология аддитивной обработки позволяет отдельно разрабатывать каждый уровень физической системы с использованием компьютерных моделей, обеспечивая несравненную простоту и гибкость сложных трехмерных систем.

Способы изготовления 3D-печати

Основные методы 3D-печати, используемые для разработки гибких датчиков силы, включают селективное лазерное спекание (SLS), стереолитографию (SLA), цифровую обработку света (DLP), моделирование методом наплавления (FDM) и прямую запись чернилами (DIW). Техника печати SLS обладает хорошими механическими свойствами и может использоваться для широкого диапазона материалов. Для применений, требующих быстрого прототипирования и высокого разрешения, предпочтительны технологии печати SLA и DLP. FDM популярен для производства гибких датчиков силы по более низкой цене и прост в эксплуатации. Наконец, технология печати DIW также является недорогим решением, позволяет печатать на нескольких материалах и предлагает простую конструкцию. Однако у нее есть определенные недостатки, такие как разрешение и относительно низкая скорость печати по сравнению с другими технологиями 3D-печати. Кроме того, также трудно контролировать уровень вязкости чернил.

Материалы для изготовления гибких датчиков силы

В настоящее время основные материалы, используемые для изготовления гибких датчиков силы, включают полимерные материалы, материалы на основе углерода и металлические элементы. Популярные полимерные материалы — это фторполимер поливинилиденфторид (ПВДФ), полиэтиленнафталат (ПЭН), полиуретан (ПУ), полиэтилентерефталат (ПЭТ), полидиметилсилоксан (ПДМС), полиимид (ПИ) и парилен. Эти гибкие матричные полимерные материалы широко используются благодаря своей высокой теплопроводности, гибкости в сочетании с проводящими материалами, высокой прочности на растяжение и химической стабильности. Для изготовления активных электродов и резистивных гибких датчиков широко используется метод заполнения эластичных полимеров проводящими активными материалами.

Материалы на основе углерода широко используются для производства гибких датчиков силы из-за их гибких наноструктур, исключительной электропроводности и эффективной биосовместимости. Наиболее часто используемые материалы на основе углерода — это углеродные нанотрубки (УНТ), технический углерод, оксид графена (GO) и графен, которые в основном сочетаются с полимерами для создания проводящих композитов. Металлические материалы, пожалуй, являются наиболее широко используемыми проводящими материалами для гибких датчиков силы.  Обычно используются серебро, медь, золото, цинк, алюминий, молибден, магний, никель, титан, хром и другие. Более того, металлические материалы широко доступны в виде жидких металлов, металлических наноматериалов, металлических пленок и оксидов металлов.

Способы работы гибких датчиков силы

Для измерения механических сил и преобразования их в электрические параметры гибкие датчики силы используют четыре основных механизма обнаружения: пьезоэлектрические, резистивные, трибоэлектрические и емкостные. Пьезоэлектрические гибкие датчики силы преобразуют сигнал давления в электрическое напряжение, используя пьезоэлектрические свойства пьезоэлектрических материалов. Электрический дипольный момент отвечает за управление этим пьезоэлектрическим поведением. Когда пьезоэлектрический материал испытывает деформацию или внешнюю силу любого направления, это приводит к электрической поляризации, которая, в свою очередь, приводит к образованию зарядов противоположной полярности на двух поверхностях. После этого возникает разность потенциалов, как только снимается внешняя сила.

Резистивные гибкие датчики силы работают путем преобразования изменения давления в изменение сопротивления датчика. Этот датчик имеет проводящий диэлектрик, площадь контакта которого изменяется в зависимости от приложенной силы напряжения. Эта деформация датчика дополнительно вызывает изменение длины проводящего канала и, следовательно, изменение сопротивления. Более того, резистивные гибкие датчики силы могут быть дополнительно разделены на пьезорезистивные и деформационные при приложении сигналов давления и напряжения соответственно. Однако многие пьезорезистивные датчики имеют проблемы со стабильностью и биосовместимостью. Поэтому они обычно используются в носимых устройствах.

Гибкие трибоэлектрические датчики силы создают заряд при контакте под давлением или после приложения силы трения. Когда датчики разряжены, они создают разность потенциалов, отделяясь друг от друга, и, следовательно, переводят механические воздействия в электрические параметры. Примечательно, что, как и гибкие пьезоэлектрические датчики силы, гибкие трибоэлектрические датчики силы генерируют электрические сигналы только тогда, когда они подвергаются действию силы, а затем разделяются. Кроме того, одним из основных компонентов гибких трибоэлектрических датчиков силы является трибоэлектрический наногенератор. Принцип его работы — это интеграция электростатической и трибоэлектрической индукций. Эти наногенераторы в настоящее время тщательно исследуются и внедряются в датчики силы с автономным питанием и маломощные источники питания. Что касается емкостных гибких датчиков силы, эти датчики преобразуют изменение давления в изменение емкости. Когда прикладывается внешняя сила, емкость конденсатора с параллельными пластинами изменяется по мере изменения зазора между двумя пластинами.

Применения

Гибкие датчики силы могут широко использоваться в потребительских товарах, медицинских устройствах, автомобилях, промышленных приложениях управления движением, аэрокосмической промышленности, робототехнике и других подобных областях. Многие трибоэлектрические и пьезоэлектрические гибкие датчики силы идеально подходят для динамического измерения. Кроме того, пьезоэлектрические датчики столкнулись с проблемами при мониторинге сигналов статического давления. Емкостные гибкие датчики силы идеально подходят для обнаружения небольших изменений отклонения, поскольку они предлагают хорошую частотную характеристику, высокую пространственную чувствительность и разрешение, большой динамический диапазон и низкое энергопотребление. Даже в этом случае жизненно важно решать проблемы, включая электромагнитные помехи и емкость перехода.

 

Автор N. Mughees

Источник: https://electronics360.globalspec.com/