华中科技大学：研究通过裂纹调制电通路实现超高灵敏度和宽范围的柔性应变传感器

背景介绍

柔性电子产品的爆炸式发展给许多技术和生活领域带来了重大变化，如可穿戴电子产品、飞机和机器人的智能电子皮肤、微空气飞行器、高效的能量收集和存储设备、人机交互技术和微型光电设备。电阻应变传感器以其显著的灵敏度和简单的结构和读出电路为特征，广泛应用于可穿戴应变传感设备中，用于人体运动信号监测，有助于精确检测各种信号，包括关节运动、声音、表情、呼吸和脉搏。为了在不影响正常人类活动的情况下获取从弱脉冲信号到大应变关节运动信号的信号，需要具有高灵敏度和宽范围的柔性应变传感器。然而，增加设备的灵敏度可能会以减小其范围为代价，反之亦然。这是因为增加灵敏度会加速电活性材料的耗尽，而增加范围会减缓其耗尽。

为了提高应变传感器的灵敏度，大量先前的研究报道了基于裂纹的电阻应变传感器可以获得高灵敏度。在拉伸过程中改变电极开裂率和裂纹形态是调节电阻应变传感器响应的有效手段，这可以通过传感器的结构设计和材料系统的更新来实现。为了进一步提高灵敏度，已经研究了各种结构设计，包括模仿蝎子和蜘蛛感觉功能的狭缝结构，以及具有负泊松比的超材料。尽管取得了这些进步，但这些高灵敏度传感器的测量范围仍然受到限制。为了适应更广泛范围的需求，研究人员研究了通过在裂纹材料下方分层二维材料来改变电活性材料在穿透裂纹中的行为的可能性。此外，有人提出引入褶皱或弯曲结构来减轻电活性材料的直接应力响应，从而减缓其耗散速率。然而，由于机械性能的差异，引入各种材料会增加传感器故障的风险，褶皱和弯曲设计的复杂性可能会使制造过程复杂化，从而可能阻碍商业可行性。

液态金属具有优异的拉伸和导电能力，在可拉伸电极领域有广泛的应用，包括互连引线、自愈导体和应变传感器。为了追求更宽的测量范围，一些研究将重点从基于裂纹的应变传感器转移到液态金属。以优异的拉伸性能为特征，可以避免材料系统内的应力失配，液态金属基应变传感器能够达到超过500%的范围。尽管如此，如此宽的范围对于检测人类菌株信号来说是过度的，通常低于100%，并且伴随着灵敏度降低，难以捕捉微弱的信号，如脉冲。此外，液态金属的优良导电性导致敏感单元中的基极电阻降低，放大了引线的应变响应，并可能在应变测量过程中引入大量无效信号。鉴于高灵敏度通常伴随着有限的范围，而更宽的范围通常伴随着较低的灵敏度，因此开发既高灵敏度又具有宽测量范围的应变传感器以用于人类应用仍然是一个重要的研究领域。

本研究从历史文物竹简中汲取灵感，竹简由刚性条带通过柔性线交织在一起组成，形成了一个有凝聚力和可滚动的实体。这种转变使天然坚硬的竹子变成了更柔软的形状，赋予了它易于弯曲和卷曲的能力。竹简的适应性增强，增加了它们的储存能力，使它们易于直接归档和运输。基于古老的竹滑构造技术，我们提出了一种方法，即沿着单个竹板的相对边缘战略性地放置软线，有助于将其组装成一个统一的结构。在这一概念的隐喻应用中，液态金属在我们的研究中被用作“绳索”，以有效地“锁定”可拉伸电极金属层内的裂缝边缘。边缘锁定液态金属将分散的电碎片连接在一起，以恢复整体的平滑导电路径。这种创新策略能够将电气路径从平行于伸长轴的方向重新配置为垂直于伸长轴，从而动态修改导电网络以响应机械变形。与通过改变传感器的材料[或结构来改变电活性材料分散率的传统策略不同，这项工作提出了一种改变已建立的电活性材料的裂解电通路的新策略，该策略能够有效地调节柔性电阻应变传感器的响应。该策略适用于各种弹性材料，由于其出色的延展性（即破坏应变>0.5），本研究中使用了热塑性聚氨酯（TPU，法国路博润的TecoflexSG-80A）。

本文亮点

1. 本工作提出了一种使用液态金属调制可拉伸电极裂纹中电气通路的方法，在此基础上实现了超高灵敏度（>10⁸）和大范围（>100%）应变传感器。

2. 本工作提出了传感器响应（或性能）的二次调制，不仅允许在制造过程中通过液态金属图案化进行电调制，还允许在使用时通过预拉伸进行机械调制。

3. 图案化液态金属电极区域的透气性和稳定性被优化，以实现与传统织物相似的透气性，并具有超过2000次循环的循环耐久性。

图文解析

图1. 超高灵敏度、大范围织物应变传感器，灵感来自中国古代竹简。a 传感器及其潜在应用的示意图。b传感器的三维结构和拉伸后镀铂TPU薄膜或TPU纤维垫的示意图。c镀铂TPU纤维垫在离型纸上涂有边缘锁定液态金属的光学图像（顶部）。图案化液态金属边缘的SEM图像局部放大（底部）。d横向应变ε拉伸=0.3时镀铂TPU纤维垫的SEM图像。e四种不同电极的电气故障应变和最大应变系数：镀铂TPU薄膜、镀铂TPU纤维垫、涂有锁边液态金属的镀铂TPU膜和涂有锁边缘液态金属的镀层TPU纤维垫。液态金属的间距为：w=3 mm，重叠长度为：l=10 mm。f本文提出的织物应变传感器与文献中其他基于裂纹或液态金属的传感器的性能比较。

图2. 镀铂TPU纤维垫涂有边缘锁定液态金属的应变传感器的工作机制。a四种不同电极的响应：镀铂TPU薄膜、镀铂TPU纤维垫、涂有锁边液态金属的镀铂TPU膜和涂有锁边缘液态金属的镀层TPU纤维垫。液态金属的间距为：w=3 mm，重叠长度为：l=10 mm。b作为应变传感器的剥离纸上涂有边缘锁定液态金属的镀铂TPU纤维垫的光学照片。c图S4中SEM图像的红色虚线框部分在0.3应变下的放大倍数。图中的绿线显示了电极的边缘。d和e分别是镀铂TPU纤维垫电极在涂覆边缘锁定液体金属之前（d）和之后（e）的电场分布的云图。f和g分别是沿X和Y方向施加电势U0后的电流密度云图。h和i分别是施加边缘锁定液态金属之前和之后，纤维和整个镀铂TPU纤维的电极电路在受到张力时的电气故障示意图。

图3. 镀铂TPU纤维垫织物应变传感器涂有边缘锁定液态金属的响应行为。a 传感器的示意性3D结构和图案化液态金属的几何特征尺寸。重叠长度：l，间距：w，角度：θ。b原始、拉伸、弯曲和扭曲状态下制造的应变传感器的光学图像。传感器中图案化液态金属的几何特征尺寸：l=10mm，w=3mm，θ=0°。c–e是应变传感器的响应测试，分别通过改变图案化液态金属的几何尺寸（间距w、重叠长度l和角度θ）获得。黑色曲线显示为没有边缘锁定液态金属的对照组。f应变传感器在0.1至0.4 Hz范围内的各种频率下的动态稳定性。应变传感器在0.001至0.4的g小应变和0.5至0.9的h大应变下的动态稳定性。g和h中的插图是放大的细节。i传感器的准静态响应随应变每30秒增加0.1，从0增加到0.7。j 0.7循环应变下的长时间电响应，频率为0.25 Hz，持续2000次循环。

图4. a边缘锁定液态金属的稳定性和渗透性。使液态金属透气的工艺示意图。b具有保持电连接的多孔结构的液态金属的SEM图像。c镀铂TPU纤维垫在0.25Hz下100%循环应变下涂覆液态金属2000次循环的长期电响应。d在镀铂TPU纤维垫上涂覆液态金属后，经过大量拉伸循环后，液态金属保持连接的示意图。e镀铂TPU垫涂覆液态金属的长期电稳定性。f水蒸气透过镀铂TPU垫（涂有液态金属）的光学照片。g传统布料、TPU纤维垫、镀铂TPU纤维垫和镀铂液态金属TPU纤维垫在25°C温度和50%湿度下的渗透性。h应变传感器的电阻变化率与相对湿度的关系。

图5. 演示从微小应变到大应变的全身运动信号检测。a 可以在人体不同部位检测到的运动信号的示意图。b直接和预拉伸后将应变传感器连接到皮肤表面的过程示意图。c预拉伸前后附着在手腕上的应变传感器检测到的脉搏信号的比较。插图是附着在手腕上的应变传感器的光学照片。d放大并比较c中的信号。e应变传感器附着在面部，用于检测咀嚼、发音和做鬼脸时的信号。f应变传感器附着在喉咙的外表面，以检测咳嗽和吞咽时的信号。g应变传感器连接在胸部，用于检测呼吸信号。h手腕后部安装应变传感器，用于检测手腕弯曲的信号。i手指上应变传感器在不同弯曲角度0°、30°、60°和90°下的电阻变化率。j手指上应变传感器的光学图像。

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来源：柔性传感及器件

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原文标题：华中科技大学：研究通过裂纹调制电通路实现超高灵敏度和宽范围的柔性应变传感器

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