柔性電子器件的應(yīng)用場景包括健康監(jiān)測、醫(yī)療手術(shù)、智能工業(yè)以及具有柔性大變形特征的航空航天設(shè)備，而柔性大應(yīng)變傳感器是其中監(jiān)測變形的關(guān)鍵元件。傳統(tǒng)基于金屬或半導(dǎo)體的應(yīng)變片無法滿足與人體或柔性設(shè)備表面共形貼合的基本要求，并且傳感范圍比實際需求小。現(xiàn)有柔性大應(yīng)變傳感器多是基于接觸電阻機制，即通過各種傳感材料及相應(yīng)微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)導(dǎo)電微結(jié)構(gòu)的接觸關(guān)系變化（從接觸到分離的變化，或涉及滲流效應(yīng)與隧道效應(yīng)的遠近關(guān)系變化），以此形成傳感器的可拉伸性和電阻變化。此類柔性大應(yīng)變傳感器常用碳基材料（包括碳納米管、石墨烯、碳化絲綢、炭黑等）或金屬納米線及納米顆粒制備，相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)有類彈簧結(jié)構(gòu)、島隙結(jié)構(gòu)、屈曲鞘芯纖維結(jié)構(gòu)和類魚鱗結(jié)構(gòu)等。這些應(yīng)變傳感器通常具有較大的傳感范圍和靈敏系數(shù)，但其電學(xué)響應(yīng)的重復(fù)性和線性度有待提高，原因是其核心傳感機理涉及到不穩(wěn)定的接觸關(guān)系：接觸表面上復(fù)雜的滑移、摩擦和黏附關(guān)系；微結(jié)構(gòu)的非線性變形；接觸模式的轉(zhuǎn)換。
近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員蘇業(yè)旺團隊設(shè)計并制備出無接觸電阻式柔性大應(yīng)變傳感器（圖1），包含一個偏軸蛇形疊層結(jié)構(gòu)（蛇形聚酰亞胺基底與覆蓋層、偏離中心軸的蛇形康銅箔）和兩層彈性封裝層，其通過偏軸蛇形疊層結(jié)構(gòu)中的拉伸-彎曲-拉伸變換機制實現(xiàn)0-50%的應(yīng)變傳感范圍。理論分析、有限元模擬與實驗測試（圖2、圖3）的結(jié)果綜合表明，當(dāng)傳感器的圓弧段半徑較大、聚酰亞胺基底寬度較窄、直線段較長和封裝層較厚時，可以獲得較大且穩(wěn)定的彈性傳感范圍。在傳感過程中，由于敏感材料康銅部分既不產(chǎn)生不穩(wěn)定的接觸電阻，也不涉及非線性本構(gòu)和幾何關(guān)系，該傳感器保證了高重復(fù)性（重復(fù)性誤差=1.58%）和高線性度（擬合優(yōu)度>0.999）。進一步地，研究利用特殊設(shè)計的偏軸蛇形疊層結(jié)構(gòu)和惠斯通電橋電路實現(xiàn)了溫度自補償功能（圖4），最終傳感器的輸出電壓溫度系數(shù)可小至5×10-7°C-1。如圖5所示，該傳感器可以應(yīng)用于監(jiān)測頸部、手指和眼部等的人體實時運動，如眨眼、發(fā)聲和呼吸等；測量外科手術(shù)中組織變形，如全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)；監(jiān)控柔性航天航空設(shè)備的應(yīng)變狀態(tài)，如降落傘和高空氣球等。
該傳感器被應(yīng)用于中國首顆火星探測器降落傘地面實驗，在風(fēng)洞內(nèi)巨大溫度變化、高速氣流沖擊和傘體劇烈晃動的情況下，應(yīng)用該傳感器對縮比降落傘的傘繩應(yīng)變進行了實時監(jiān)測，為降落傘優(yōu)化設(shè)計提供了指導(dǎo)意見，為2021年5月15日“天問一號”探測器在火星成功著陸做出了貢獻。項目評審組高度評價：“所開發(fā)的柔性傳感器及配套方案具有實用性、創(chuàng)新性和可擴展性，未來還可進一步用于其他柔性回收著陸設(shè)備”。
相關(guān)研究成果以Contact-Resistance-Free Stretchable Strain Sensors with High Repeatability and Linearity為題，近期發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊ACS Nano。研究工作獲得大連理工大學(xué)、北京積水潭醫(yī)院、航天五院科研人員的幫助和支持，并得到國家自然科學(xué)基金委面上項目、中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計劃“從0到1”原始創(chuàng)新項目和北京市科委等的支持。
圖1.傳感器的設(shè)計、制備和機理
圖2.偏軸蛇形疊層結(jié)構(gòu)的力學(xué)和電學(xué)特性
圖3.封裝后應(yīng)變傳感器的力學(xué)和電學(xué)特性
圖4.溫度自補償設(shè)計
圖5.人體活動監(jiān)測、醫(yī)療手術(shù)和航天設(shè)備中的典型應(yīng)用
