1. 客製印刷應變計
應變計在結構監測、穿戴式技術、機器人技術和柔性電子裝置中發揮著至關重要的作用。傳統的應變計雖然應用廣泛，但受限於剛性基板、複雜的組裝製程以及缺乏客製化。印刷電子技術的進步——尤其是導電奈米粒子油墨——正在催生出一種新型數位化製造的應變感測器，這種感測器重量輕、靈活且應用領域特定。
本白皮書回顧了使用 NovaCentrix 銀奈米粒子墨水進行印刷應變計的開發和驗證。重點介紹了一些學術研究：
- 路易斯維爾大學 (參考編號 1, 參考編號 2）證明 氣溶膠噴射列印（AJP） 應變計使用 JS-A426墨水，包括量規設計、燒結最佳化和量規因子測量。
- 一個來自德州大學聖安東尼奧分校（參考編號 3）使用 JS-A102A墨水 另一位來自諾維薩德大學（參考編號 4) 使用 JS-B25HV 和 JS-B15P 以及噴墨（按需噴墨）列印技術，一次快速製造幾何形狀各異的感測器。
- 另外兩項研究展示了現實世界的應用：Delta 機器人採用嵌入式應變感測技術 JS-B25P (參考編號 5) 和用於機器人感知的觸覺皮膚 JS-A426 (參考編號 6).
總之，這些研究證明了 NovaCentrix 墨水如何支援快速原型設計、可自訂的感測器設計以及在多個列印平台上與商業儀表相媲美的性能。
2. 簡介和背景
應變計是測量結構和材料機械變形的基本工具。其工作原理很簡單：當導電元件被拉伸或壓縮時，其幾何形狀會發生變化，從而改變其電阻。測量這種電阻變化可以量化應變。
傳統的應變計通常由粘附在聚合物背襯上的蝕刻金屬箔組成，雖然有效，但也存在關鍵限制：依賴剛性基板、黏合劑安裝、製造和組裝複雜以及設計自由度有限。
印刷電子技術帶來了變革性的機會。透過將導電油墨以數位方式直接圖案化到柔性基板上，現在可以在軟體層面客製化感測器的幾何形狀，列印到曲面或柔軟的表面上，並快速迭代設計。
NovaCentrix 提供一系列金屬奈米顆粒油墨，包括銀、銅和合金體系，專為特定列印平台量身定制。這些油墨的設計旨在滿足列印電子產品的嚴格要求。
3. NovaCentrix 應變計油墨
NovaCentrix 的導電油墨專為數位沉積和印後處理而設計，支援先進的印刷感測器製造。 NovaCentrix 的多種銀奈米顆粒油墨已在學術研究中得到驗證，可用於應變計應用。
4. 案例研究：使用 NovaCentrix 油墨印刷的應變計
4.1 JS-A426 透過氣溶膠噴射列印（路易斯維爾大學）
路易斯維爾大學的兩項研究表明，使用 JS-A426 和氣溶膠噴射列印技術可以在 Kapton 上製造客製化應變計。
應變因子（GF） 是應變計的關鍵品質因數，定義為：
GF = (ΔR / R) / ε
其中 ΔR 為電阻變化量，R 為原始電阻，ε 為施加的應變。 GF 越高，靈敏度越高。大多數商用金屬箔應變計的 GF 在 2.0 至 2.2 之間。使用 NovaCentrix 油墨印製的應變計的 GF 值介於 1.7 至 2.0 之間。
主要結果：
- 印表機：Optomec AJP
- 線寬：50–60 μm
- 燒結：200–240°C，持續18–24小時
- 電導率：~7.05×10⁶ S/m
- 量規係數：1.85 (2021)，1.74 (2023)
2023 年的後續研究也引入了基於燒結條件的導電性預測模型，改善了不同基材的製程控制。
4.1.2 JS-A426 用於柔性基板觸覺感應
這項研究擴展了 JS-A426 的用途，使其能夠製造嵌入 PDMS 的全向觸覺感測器，用於機器人皮膚。該感測器採用星形圖案和封裝技術，在 5000 次循環下實現了穩健的性能，應變係數約為 1.85，展現了其在動態機器人環境中的可行性。
4.2 JS-A102A 按需噴墨印表機（德州大學聖安東尼奧分校）
本研究使用 JS-A102A 和 Dimatix DOD 噴墨印表機來探索快速感測器製造方法。在 Kapton 上列印了多種幾何形狀，依序在 2.3°C 和 7.2°C 下燒結後，電阻值達到 50 至 150 Ω。此方法展現了快速的周轉時間和一致性，非常適合製作各種佈局的應變感測器原型。
4.3 JS-B25HV 和 JS-B15P 以噴墨列印（諾維薩德大學）
研究人員比較了使用專業和桌面噴墨系統列印的 JS-B25HV 和 JS-B15P 墨水的性能。在聚醯亞胺和 PET 材料上，感測器的 GF 值根據墨水、基材和層數的不同，在 1.58 至 2.03 之間變化。短期內耐久性和穩定性良好，在超過 2 個月的列印過程中電阻略有漂移。
5. 實際應用：基於摺紙的 Delta 機器人中的印刷應變計
伊斯坦堡技術大學的團隊將使用 JS-B25P 列印的應變計整合到可折疊 Delta 機器人中。這些感測器列印在 PET 上，並嵌入摺紙關節中以進行角度測量。他們成功地透過電阻變化追蹤了 0° 至 90° 的運動，從而實現了輕型機器人系統中閉環控制的模擬回饋。
6. 實際應用：JS-A426 用於機器人皮膚的觸覺感知
採用 JS-A426 的星形應變計被印在柔性 Kapton 上，並嵌入 PDMS 中，用作觸覺皮膚感測器。此感測器設計為全向靈敏度，在正弦和階躍輸入下實現線性和可重複的響應。該感測器展現出卓越的耐用性和軟體機器人系統整合能力。
六、總結與展望
眾多學術和應用研究已證明，NovaCentrix 銀奈米粒子墨水可有效利用多種數位列印方法製造高性能柔性應變計。從氣溶膠噴射到噴墨列印，從 Kapton 到 PET，這些墨水均展現出可靠的導電性、在 1.7 至 2.0 範圍內可重複的應變係數值，並且能夠整合到現實世界的機器人系統和觸覺感測器中。
客製化幾何形狀、直接列印在柔性基板上以及使用低成本列印系統的能力使得這些油墨對於快速成型、生產以及軟機器人、穿戴式裝置和結構健康監測等新應用領域具有吸引力。
未來的方向包括：
- 使用光子燒結（例如 PulseForge）實現超低熱預算應用。
- 將應變感測器與附加功能（例如溫度、壓力）結合。
- 開發經過驗證的感測器幾何形狀庫，以便在 OEM 和研究環境中更快部署。
NovaCentrix 不斷擴展的材料組合和生態系統支援使其能夠快速從實驗室規模的創新轉向可擴展的製造。
8。 參考
- Ratnayake 等人，IEEE FLEPS，2021
- Ratnayake 等人，IEEE JFlex，2023
- Dipon 等人，鐵電學，2023
- Zlebic 等人，電子與能量學，2016 年
- Kalafat，赫梯科學與工程雜誌，2022
- Olowo等人，IEEE柔性電子雜誌，2023年
影像鳴謝
圖片來源： 應變計圖示，使用於 CC BY-SA 2.5.
