1.一种多层柔性电子一体化薄膜应力超材料传感器,其特征在于,超材料传感器采用墨水直写方法打印多层柔性材料制成,包括:介电层、衬底层和封装层;
以柔性PDMS薄膜为基底作为封装层,其上依次设置若干衬底层和介电层,通过导电通道连接构成多层电路层;所述多层电路层,通过构建多孔单元,覆盖离子导电水凝胶,以皮肤上皮细胞结构为排版单元,镶嵌多个梯形交叉金属谐振结构产生谐振,并进行电路排版,采用激光烧蚀方法在多层电路层间钻孔形成层间互联导电通道,通过填充可拉伸离子导电水凝胶复合材料实现多层互联;
所述超材料传感器应用于穿戴设备,根据身体姿态发生形变,梯形交叉金属发生谐振,通过谐振频率反映应力变化,通过拉伸柔性PDMS薄膜基底改变镶嵌在衬底上的超表面多层电路层结构尺寸,改变谐振频率进行调谐,并利用频谱分析方法实现姿态微小应力和应变的传感,传递身体姿态信息;
所述多层柔性材料,具有无纺结构,多层柔性材料的形状根据皮肤表面的3D扫描数据构建,并通过扫描数据的3D打印模板模塑;
所述衬底层,以皮肤上皮细胞结构为排版单元,由PDMS层和固体CB/PDMS层封装的梯度CB/PDMS多孔单元组成;所述CB/PDMS多孔单元模拟表皮细胞结构,上层和下层的包封分别对应于角质层和真皮上层,分别模仿真皮和表皮之间的spinosum层微结构,并采用电接触电阻变化机制;
所述梯形交叉金属,镶嵌于衬底上,为具有微观结构和纳米结构形态的金属氧化物,包括两个具有互补结构的梯形通过较短底部交叉连接构成谐振结构产生谐振,连接处设置有金属棒,用于增强感测区域中的电场;
所述离子导电水凝胶,为将金属硫配位键引入单体引发聚合的纳米自愈水凝胶;以离子导电水凝胶作为可拉伸导电材料,在多个梯形交叉金属谐振结构之间进行填充,利用自由离子构建导电网络,进行电路连接;所述离子导电水凝胶材料,根据柔性PDMS薄膜的弯曲表面共形集成,用于实现压电层和电极之间的无缝接触,提供身体上的可穿戴状态。
2.根据权利要求1所述的多层柔性电子一体化薄膜应力超材料传感器,其特征在于,所述激光烧蚀方法,使用超短脉冲激光器在多层电路层间钻孔,形成层间互联导电通道:将超短脉冲激光器电流计扫描仪单元的激光偏转到所需位置,使用焦距为100mm的远心透镜进行聚焦,使用功率传感器进行激光功率测量;所述超短脉冲激光器,激光发射的基本波长为
1030nm,最小脉冲持续时间为220fs,激光功率由衰减器改变。
3.根据权利要求1所述的多层柔性电子一体化薄膜应力超材料传感器,其特征在于,通过拉伸柔性PDMS薄膜基底改变镶嵌在衬底上的超表面多层电路层结构尺寸,改变谐振频率进行调谐,利用频谱分析的方法进行姿态微小应力和应变的快速传感,通过减小PDMS层厚度获得更高频率分辨率和灵敏度;谐振结构表面电流流向与入射电磁波的电场方向平行,仅有偶极子模式被激发,采用方波脉冲信号作为激励信号,驱动谐振结构共鸣超材料传感器,衰减振荡信号,其中共鸣的频率和共鸣的阻尼信息被携带、采样和处理,超材料传感器获得共鸣的频率和共鸣的同时谐振器的阻尼系数。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的多层柔性电子一体化薄膜应力超材料传感器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、采用墨水直写装置打印多层柔性材料;
S2、以皮肤上皮细胞结构为排版单元,镶嵌多个用于谐振的梯形交叉金属,并进行电路排版;
S3、采用激光烧蚀在多层电路层间钻孔,形成层间互联导电通道,并填充可拉伸水凝胶复合材料实现多层互联。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述墨水直写装置,包括多喷嘴三维集成制造系统、监测系统、气压控制系统、与气压控制系统相连的材料储存装置、一个真空吸尘器以及释放装置;所述材料储存装置,包括电介质材料储存装置和导电材料储存装置。
6.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,步骤S1采用墨水直写装置打印多层柔性材料,方法包括以下步骤:S1.1、扫描使用者皮肤表面的3D数据,根据得到的3D数据构建多层柔性材料形状;设计带有金属棒的梯形谐振器,准备可拉伸导电材料;
S1.2、选择约束牺牲层打印装置,搭建印刷平台、调用牺牲层材料印刷喷嘴,打印传感器的全部结构框架,包括:基底层、衬底层及镶嵌在其中的导电材料层、介电层、封装层的结构框架;
S1.3、基于传感器的全部结构框架,更换喷头,使用衬底层材料打印喷头,打印传感器衬底结构层薄膜;
S1.4、更换喷头,使用导电材料打印喷头,在衬底结构层基础上按序打印层内互联导线和层间互联导线,并预留放置电子元器件的位置;
S1.5、印刷电线,安装刚性部件;
S1.6、打印介电层,并在PDMS薄膜封装层和衬底层之间沿斜面印刷,使层间互连;
S1.7、重复步骤S1.2至S1.6,完成多层柔性电子器件的逐层制造。