1. 定制印刷应变计
应变计在结构监测、可穿戴技术、机器人技术和柔性电子器件中发挥着至关重要的作用。传统的应变计虽然应用广泛，但受限于刚性基板、复杂的装配工艺以及缺乏定制化。印刷电子技术的进步——尤其是导电纳米粒子油墨——正在催生出一种新型数字化制造的应变传感器，这种传感器重量轻、灵活且应用领域特定。
本白皮书回顾了使用 NovaCentrix 银纳米粒子墨水进行印刷应变计的开发和验证。重点介绍了一些学术研究：
- 路易斯维尔大学 (参考1, 参考2）证明 气溶胶喷射打印（AJP） 应变计使用 JS-A426墨水，包括规格设计、烧结优化和规格因子测量。
- 一个来自德克萨斯大学圣安东尼奥分校（参考3）使用 JS-A102A墨水 另一位来自诺维萨德大学（参考4) 使用 JS-B25HV 和 JS-B15P 以及喷墨（按需喷墨）打印技术，一次性快速制造几何形状各异的传感器。
- 另外两项研究展示了现实世界的应用：Delta 机器人采用嵌入式应变传感技术 JS-B25P (参考5) 和用于机器人感知的触觉皮肤 JS-A426 (参考6).
总之，这些研究证明了 NovaCentrix 墨水如何支持快速原型设计、可定制的传感器设计以及在多个打印平台上与商业仪表相媲美的性能。
一、简介及背景
应变计是测量结构和材料机械变形的基本工具。其工作原理很简单：当导电元件被拉伸或压缩时，其几何形状会发生变化，从而改变其电阻。测量这种电阻变化可以量化应变。
传统的应变计通常由粘附在聚合物背衬上的蚀刻金属箔组成，虽然有效，但也存在关键限制：依赖刚性基板、粘合剂安装、制造和组装复杂以及设计自由度有限。
印刷电子技术带来了变革性的机遇。通过将导电油墨以数字方式直接图案化到柔性基板上，现在可以在软件层面定制传感器的几何形状，打印到曲面或柔软的表面上，并快速迭代设计。
NovaCentrix 提供一系列金属纳米颗粒油墨，包括银、铜和合金体系，专为特定打印平台量身定制。这些油墨的设计旨在满足打印电子产品的严格要求。
3. NovaCentrix 应变计油墨
NovaCentrix 的导电油墨专为数字沉积和印后处理而设计，支持先进的印刷传感器制造。NovaCentrix 的多种银纳米颗粒油墨已在学术研究中得到验证，可用于应变计应用。
4. 案例研究：使用 NovaCentrix 油墨印刷的应变计
4.1 JS-A426 通过气溶胶喷射打印（路易斯维尔大学）
路易斯维尔大学的两项研究表明，使用 JS-A426 和气溶胶喷射打印技术可以在 Kapton 上制造定制应变计。
应变计的灵敏度系数（GF）是一个关键的性能指标，其定义为：
GF = (ΔR / R) / ε
其中 ΔR 为电阻变化量，R 为原始电阻，ε 为施加的应变。GF 越高，灵敏度越高。大多数商用金属箔应变计的 GF 在 2.0 至 2.2 之间。使用 NovaCentrix 油墨印刷的应变计的 GF 值在 1.7 至 2.0 之间。
主要结果：
- 打印机：Optomec AJP
- 线宽：50–60 μm
- 烧结：200–240°C，持续18–24小时
- 电导率：~7.05×10⁶ S/m
- 量规系数：1.85 (2021)，1.74 (2023)
2023 年的后续研究还引入了基于烧结条件的导电性预测模型，改善了不同基材的工艺控制。
4.1.2 JS-A426 用于柔性基板触觉感应
这项研究扩展了 JS-A426 的用途，使其能够制造嵌入 PDMS 的全向触觉传感器，用于机器人皮肤。该传感器采用星形图案和封装技术，在 5000 次循环下实现了稳健的性能，应变系数约为 1.85，展现了其在动态机器人环境中的可行性。
4.2 JS-A102A 按需喷墨打印机（德克萨斯大学圣安东尼奥分校）
本研究使用 JS-A102A 和 Dimatix DOD 喷墨打印机探索快速传感器制造方法。在 Kapton 上打印了多种几何形状，依次在 2.3°C 和 7.2°C 下烧结后，电阻值达到 50 至 150 Ω。该方法展现了快速的周转时间和一致性，非常适合制作各种布局的应变传感器原型。
4.3 JS-B25HV 和 JS-B15P 通过喷墨打印（诺维萨德大学）
研究人员比较了使用专业和桌面喷墨系统打印的 JS-B25HV 和 JS-B15P 墨水的性能。在聚酰亚胺和 PET 材料上，传感器的 GF 值根据墨水、基材和层数的不同，在 1.58 至 2.03 之间变化。短期内耐久性和稳定性良好，在超过 2 个月的打印过程中电阻略有漂移。
5. 实际应用：基于折纸的 Delta 机器人中的印刷应变计
伊斯坦布尔技术大学的一个团队将使用 JS-B25P 打印的应变计集成到可折叠 Delta 机器人中。这些传感器打印在 PET 上，并嵌入折纸关节中用于角度测量。他们成功地通过电阻变化跟踪了 0° 至 90° 的运动，从而实现了轻型机器人系统中闭环控制的模拟反馈。
6. 实际应用：JS-A426 用于机器人皮肤的触觉感知
采用 JS-A426 的星形应变计被打印在柔性 Kapton 上，并嵌入 PDMS 中，用作触觉皮肤传感器。该传感器设计为全向灵敏度，在正弦和阶跃输入下实现线性和可重复的响应。该传感器展现出卓越的耐用性和软体机器人系统集成能力。
六、总结与展望
众多学术和应用研究已证明，NovaCentrix 银纳米粒子墨水可有效利用多种数字打印方法制造高性能柔性应变计。从气溶胶喷射到喷墨打印，从 Kapton 到 PET，这些墨水均展现出可靠的导电性、在 1.7 至 2.0 范围内可重复的应变系数值，并且能够集成到现实世界的机器人系统和触觉传感器中。
定制几何形状、直接打印在柔性基板上以及使用低成本打印系统的能力使得这些油墨对于快速成型、生产以及软机器人、可穿戴设备和结构健康监测等新应用领域具有吸引力。
未来的发展方向包括：
- 使用光子烧结（例如 PulseForge）实现超低热预算应用。
- 将应变传感器与附加功能（例如温度、压力）相结合。
- 开发经过验证的传感器几何形状库，以便在 OEM 和研究环境中更快地部署。
NovaCentrix 不断扩展的材料组合和生态系统支持使其能够快速从实验室规模的创新转向可扩展的制造。
8。 参考
- Ratnayake 等人，IEEE FLEPS，2021
- Ratnayake 等人，IEEE JFlex，2023
- Dipon 等人，铁电学，2023
- Zlebic 等人，电子与能量学，2016 年
- Kalafat，赫梯科学与工程杂志，2022
- Olowo等人，IEEE柔性电子杂志，2023年
图片鸣谢
图片来源：应变计插图，根据CC BY-SA 2.5使用。
