華中科技大學(xué)：研究通過裂紋調(diào)制電通路實(shí)現(xiàn)超高靈敏度和寬范圍的柔性應(yīng)變傳感器

柔性電子產(chǎn)品的爆炸式發(fā)展給許多技術(shù)和生活領(lǐng)域帶來了重大變化，如可穿戴電子產(chǎn)品、飛機(jī)和機(jī)器人的智能電子皮膚、微空氣飛行器、高效的能量收集和存儲設(shè)備、人機(jī)交互技術(shù)和微型光電設(shè)備。電阻應(yīng)變傳感器以其顯著的靈敏度和簡單的結(jié)構(gòu)和讀出電路為特征，廣泛應(yīng)用于可穿戴應(yīng)變傳感設(shè)備中，用于人體運(yùn)動信號監(jiān)測，有助于精確檢測各種信號，包括關(guān)節(jié)運(yùn)動、聲音、表情、呼吸和脈搏。為了在不影響正常人類活動的情況下獲取從弱脈沖信號到大應(yīng)變關(guān)節(jié)運(yùn)動信號的信號，需要具有高靈敏度和寬范圍的柔性應(yīng)變傳感器。然而，增加設(shè)備的靈敏度可能會以減小其范圍為代價，反之亦然。這是因?yàn)樵黾屿`敏度會加速電活性材料的耗盡，而增加范圍會減緩其耗盡。

為了提高應(yīng)變傳感器的靈敏度，大量先前的研究報道了基于裂紋的電阻應(yīng)變傳感器可以獲得高靈敏度。在拉伸過程中改變電極開裂率和裂紋形態(tài)是調(diào)節(jié)電阻應(yīng)變傳感器響應(yīng)的有效手段，這可以通過傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料系統(tǒng)的更新來實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步提高靈敏度，已經(jīng)研究了各種結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括模仿蝎子和蜘蛛感覺功能的狹縫結(jié)構(gòu)，以及具有負(fù)泊松比的超材料。盡管取得了這些進(jìn)步，但這些高靈敏度傳感器的測量范圍仍然受到限制。為了適應(yīng)更廣泛范圍的需求，研究人員研究了通過在裂紋材料下方分層二維材料來改變電活性材料在穿透裂紋中的行為的可能性。此外，有人提出引入褶皺或彎曲結(jié)構(gòu)來減輕電活性材料的直接應(yīng)力響應(yīng)，從而減緩其耗散速率。然而，由于機(jī)械性能的差異，引入各種材料會增加傳感器故障的風(fēng)險，褶皺和彎曲設(shè)計的復(fù)雜性可能會使制造過程復(fù)雜化，從而可能阻礙商業(yè)可行性。

液態(tài)金屬具有優(yōu)異的拉伸和導(dǎo)電能力，在可拉伸電極領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，包括互連引線、自愈導(dǎo)體和應(yīng)變傳感器。為了追求更寬的測量范圍，一些研究將重點(diǎn)從基于裂紋的應(yīng)變傳感器轉(zhuǎn)移到液態(tài)金屬。以優(yōu)異的拉伸性能為特征，可以避免材料系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)力失配，液態(tài)金屬基應(yīng)變傳感器能夠達(dá)到超過500%的范圍。盡管如此，如此寬的范圍對于檢測人類菌株信號來說是過度的，通常低于100%，并且伴隨著靈敏度降低，難以捕捉微弱的信號，如脈沖。此外，液態(tài)金屬的優(yōu)良導(dǎo)電性導(dǎo)致敏感單元中的基極電阻降低，放大了引線的應(yīng)變響應(yīng)，并可能在應(yīng)變測量過程中引入大量無效信號。鑒于高靈敏度通常伴隨著有限的范圍，而更寬的范圍通常伴隨著較低的靈敏度，因此開發(fā)既高靈敏度又具有寬測量范圍的應(yīng)變傳感器以用于人類應(yīng)用仍然是一個重要的研究領(lǐng)域。

本研究從歷史文物竹簡中汲取靈感，竹簡由剛性條帶通過柔性線交織在一起組成，形成了一個有凝聚力和可滾動的實(shí)體。這種轉(zhuǎn)變使天然堅硬的竹子變成了更柔軟的形狀，賦予了它易于彎曲和卷曲的能力。竹簡的適應(yīng)性增強(qiáng)，增加了它們的儲存能力，使它們易于直接歸檔和運(yùn)輸?；诠爬系闹窕瑯?gòu)造技術(shù)，我們提出了一種方法，即沿著單個竹板的相對邊緣戰(zhàn)略性地放置軟線，有助于將其組裝成一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。在這一概念的隱喻應(yīng)用中，液態(tài)金屬在我們的研究中被用作“繩索”，以有效地“鎖定”可拉伸電極金屬層內(nèi)的裂縫邊緣。邊緣鎖定液態(tài)金屬將分散的電碎片連接在一起，以恢復(fù)整體的平滑導(dǎo)電路徑。這種創(chuàng)新策略能夠?qū)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣路徑從平行于伸長軸的方向重新配置為垂直于伸長軸，從而動態(tài)修改導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)以響應(yīng)機(jī)械變形。與通過改變傳感器的材料[或結(jié)構(gòu)來改變電活性材料分散率的傳統(tǒng)策略不同，這項(xiàng)工作提出了一種改變已建立的電活性材料的裂解電通路的新策略，該策略能夠有效地調(diào)節(jié)柔性電阻應(yīng)變傳感器的響應(yīng)。該策略適用于各種彈性材料，由于其出色的延展性（即破壞應(yīng)變>0.5），本研究中使用了熱塑性聚氨酯（TPU，法國路博潤的TecoflexSG-80A）。

1. 本工作提出了一種使用液態(tài)金屬調(diào)制可拉伸電極裂紋中電氣通路的方法，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度（>10⁸）和大范圍（>100%）應(yīng)變傳感器。

2. 本工作提出了傳感器響應(yīng)（或性能）的二次調(diào)制，不僅允許在制造過程中通過液態(tài)金屬圖案化進(jìn)行電調(diào)制，還允許在使用時通過預(yù)拉伸進(jìn)行機(jī)械調(diào)制。

3. 圖案化液態(tài)金屬電極區(qū)域的透氣性和穩(wěn)定性被優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)織物相似的透氣性，并具有超過2000次循環(huán)的循環(huán)耐久性。

圖1. 超高靈敏度、大范圍織物應(yīng)變傳感器，靈感來自中國古代竹簡。a 傳感器及其潛在應(yīng)用的示意圖。b傳感器的三維結(jié)構(gòu)和拉伸后鍍鉑TPU薄膜或TPU纖維墊的示意圖。c鍍鉑TPU纖維墊在離型紙上涂有邊緣鎖定液態(tài)金屬的光學(xué)圖像（頂部）。圖案化液態(tài)金屬邊緣的SEM圖像局部放大（底部）。d橫向應(yīng)變ε拉伸=0.3時鍍鉑TPU纖維墊的SEM圖像。e四種不同電極的電氣故障應(yīng)變和最大應(yīng)變系數(shù)：鍍鉑TPU薄膜、鍍鉑TPU纖維墊、涂有鎖邊液態(tài)金屬的鍍鉑TPU膜和涂有鎖邊緣液態(tài)金屬的鍍層TPU纖維墊。液態(tài)金屬的間距為：w=3 mm，重疊長度為：l=10 mm。f本文提出的織物應(yīng)變傳感器與文獻(xiàn)中其他基于裂紋或液態(tài)金屬的傳感器的性能比較。

圖2. 鍍鉑TPU纖維墊涂有邊緣鎖定液態(tài)金屬的應(yīng)變傳感器的工作機(jī)制。a四種不同電極的響應(yīng)：鍍鉑TPU薄膜、鍍鉑TPU纖維墊、涂有鎖邊液態(tài)金屬的鍍鉑TPU膜和涂有鎖邊緣液態(tài)金屬的鍍層TPU纖維墊。液態(tài)金屬的間距為：w=3 mm，重疊長度為：l=10 mm。b作為應(yīng)變傳感器的剝離紙上涂有邊緣鎖定液態(tài)金屬的鍍鉑TPU纖維墊的光學(xué)照片。c圖S4中SEM圖像的紅色虛線框部分在0.3應(yīng)變下的放大倍數(shù)。圖中的綠線顯示了電極的邊緣。d和e分別是鍍鉑TPU纖維墊電極在涂覆邊緣鎖定液體金屬之前（d）和之后（e）的電場分布的云圖。f和g分別是沿X和Y方向施加電勢U0后的電流密度云圖。h和i分別是施加邊緣鎖定液態(tài)金屬之前和之后，纖維和整個鍍鉑TPU纖維的電極電路在受到張力時的電氣故障示意圖。

圖3. 鍍鉑TPU纖維墊織物應(yīng)變傳感器涂有邊緣鎖定液態(tài)金屬的響應(yīng)行為。a 傳感器的示意性3D結(jié)構(gòu)和圖案化液態(tài)金屬的幾何特征尺寸。重疊長度：l，間距：w，角度：θ。b原始、拉伸、彎曲和扭曲狀態(tài)下制造的應(yīng)變傳感器的光學(xué)圖像。傳感器中圖案化液態(tài)金屬的幾何特征尺寸：l=10mm，w=3mm，θ=0°。c–e是應(yīng)變傳感器的響應(yīng)測試，分別通過改變圖案化液態(tài)金屬的幾何尺寸（間距w、重疊長度l和角度θ）獲得。黑色曲線顯示為沒有邊緣鎖定液態(tài)金屬的對照組。f應(yīng)變傳感器在0.1至0.4 Hz范圍內(nèi)的各種頻率下的動態(tài)穩(wěn)定性。應(yīng)變傳感器在0.001至0.4的g小應(yīng)變和0.5至0.9的h大應(yīng)變下的動態(tài)穩(wěn)定性。g和h中的插圖是放大的細(xì)節(jié)。i傳感器的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)隨應(yīng)變每30秒增加0.1，從0增加到0.7。j 0.7循環(huán)應(yīng)變下的長時間電響應(yīng)，頻率為0.25 Hz，持續(xù)2000次循環(huán)。

圖4. a邊緣鎖定液態(tài)金屬的穩(wěn)定性和滲透性。使液態(tài)金屬透氣的工藝示意圖。b具有保持電連接的多孔結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬的SEM圖像。c鍍鉑TPU纖維墊在0.25Hz下100%循環(huán)應(yīng)變下涂覆液態(tài)金屬2000次循環(huán)的長期電響應(yīng)。d在鍍鉑TPU纖維墊上涂覆液態(tài)金屬后，經(jīng)過大量拉伸循環(huán)后，液態(tài)金屬保持連接的示意圖。e鍍鉑TPU墊涂覆液態(tài)金屬的長期電穩(wěn)定性。f水蒸氣透過鍍鉑TPU墊（涂有液態(tài)金屬）的光學(xué)照片。g傳統(tǒng)布料、TPU纖維墊、鍍鉑TPU纖維墊和鍍鉑液態(tài)金屬TPU纖維墊在25°C溫度和50%濕度下的滲透性。h應(yīng)變傳感器的電阻變化率與相對濕度的關(guān)系。

圖5. 演示從微小應(yīng)變到大應(yīng)變的全身運(yùn)動信號檢測。a 可以在人體不同部位檢測到的運(yùn)動信號的示意圖。b直接和預(yù)拉伸后將應(yīng)變傳感器連接到皮膚表面的過程示意圖。c預(yù)拉伸前后附著在手腕上的應(yīng)變傳感器檢測到的脈搏信號的比較。插圖是附著在手腕上的應(yīng)變傳感器的光學(xué)照片。d放大并比較c中的信號。e應(yīng)變傳感器附著在面部，用于檢測咀嚼、發(fā)音和做鬼臉時的信號。f應(yīng)變傳感器附著在喉嚨的外表面，以檢測咳嗽和吞咽時的信號。g應(yīng)變傳感器連接在胸部，用于檢測呼吸信號。h手腕后部安裝應(yīng)變傳感器，用于檢測手腕彎曲的信號。i手指上應(yīng)變傳感器在不同彎曲角度0°、30°、60°和90°下的電阻變化率。j手指上應(yīng)變傳感器的光學(xué)圖像。