柔(rou)性(xing)(xing)電(dian)(dian)子(zi)器件的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)場(chang)景包括健(jian)康監(jian)測、醫療手術、智能工業(ye)以及具有(you)柔(rou)性(xing)(xing)大(da)變(bian)(bian)(bian)形特征的(de)(de)(de)(de)航空航天設(she)備，而柔(rou)性(xing)(xing)大(da)應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)傳(chuan)(chuan)感(gan)器是(shi)其(qi)(qi)中監(jian)測變(bian)(bian)(bian)形的(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)元件。傳(chuan)(chuan)統(tong)基于金(jin)(jin)屬或(huo)(huo)(huo)半導體的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)片無法(fa)滿足與人體或(huo)(huo)(huo)柔(rou)性(xing)(xing)設(she)備表(biao)(biao)面共(gong)形貼(tie)合的(de)(de)(de)(de)基本(ben)要求，并且傳(chuan)(chuan)感(gan)范圍(wei)比(bi)實際需求小。現(xian)有(you)柔(rou)性(xing)(xing)大(da)應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)傳(chuan)(chuan)感(gan)器多(duo)是(shi)基于接(jie)觸(chu)電(dian)(dian)阻機制(zhi)，即通過(guo)各種傳(chuan)(chuan)感(gan)材料及相應(ying)(ying)微(wei)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)設(she)計實現(xian)導電(dian)(dian)微(wei)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)接(jie)觸(chu)關系變(bian)(bian)(bian)化(hua)（從(cong)接(jie)觸(chu)到(dao)分離的(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)化(hua)，或(huo)(huo)(huo)涉及滲流效應(ying)(ying)與隧(sui)道效應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)遠近關系變(bian)(bian)(bian)化(hua)），以此形成傳(chuan)(chuan)感(gan)器的(de)(de)(de)(de)可拉伸性(xing)(xing)和(he)(he)電(dian)(dian)阻變(bian)(bian)(bian)化(hua)。此類柔(rou)性(xing)(xing)大(da)應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)傳(chuan)(chuan)感(gan)器常(chang)用(yong)碳(tan)基材料（包括碳(tan)納(na)米管、石墨烯、碳(tan)化(hua)絲綢、炭黑(hei)等(deng)）或(huo)(huo)(huo)金(jin)(jin)屬納(na)米線及納(na)米顆粒(li)制(zhi)備，相應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)微(wei)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)有(you)類彈簧結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)、島隙(xi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)、屈(qu)曲鞘芯纖維結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)和(he)(he)類魚鱗結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)等(deng)。這些應(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)傳(chuan)(chuan)感(gan)器通常(chang)具有(you)較大(da)的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)范圍(wei)和(he)(he)靈敏系數，但其(qi)(qi)電(dian)(dian)學(xue)響(xiang)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)重復性(xing)(xing)和(he)(he)線性(xing)(xing)度有(you)待提(ti)高，原因是(shi)其(qi)(qi)核心傳(chuan)(chuan)感(gan)機理涉及到(dao)不穩定的(de)(de)(de)(de)接(jie)觸(chu)關系：接(jie)觸(chu)表(biao)(biao)面上復雜的(de)(de)(de)(de)滑移(yi)、摩擦(ca)和(he)(he)黏附關系；微(wei)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)非線性(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)形；接(jie)觸(chu)模式的(de)(de)(de)(de)轉換(huan)。
近日，中國科學院力學研究所研究員蘇業旺團隊設計并制備出無接觸電阻式柔性大應變傳感器（圖1），包含一個偏軸蛇形疊層結構（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構中的拉伸-彎曲-拉伸變換機制實現0-50%的應變傳感范圍。理論分析、有限元模擬與實驗測試（圖2、圖3）的結果綜合表明，當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生不穩定的接觸電阻，也不涉及非線性本構和幾何關系，該傳感器保證了高重復性（重復性誤差=1.58%）和高線性度（擬合優度>0.999）。進一步地，研究利用特殊設計的偏軸蛇形疊層結構和惠斯通電橋電路實現了溫度自補償功能（圖4），最終傳感器的輸出電壓溫度系數可小至5×10-7°C-1。如(ru)圖(tu)5所示，該傳感器可(ke)以應用(yong)于(yu)監測(ce)頸部、手指和眼部等(deng)(deng)的(de)人體實時運動，如(ru)眨眼、發聲和呼吸等(deng)(deng)；測(ce)量外(wai)科手術中組織(zhi)變形，如(ru)全(quan)膝關節置(zhi)換手術；監控柔性航天航空設備的(de)應變狀態，如(ru)降落(luo)傘和高(gao)空氣球等(deng)(deng)。
該傳感器被應(ying)用(yong)于中國首顆火星(xing)探測器降落傘(san)地面實驗(yan)，在風洞內巨大溫度變(bian)化(hua)、高速氣流沖擊(ji)和傘(san)體劇烈(lie)晃動的(de)情(qing)況下，應(ying)用(yong)該傳感器對縮比(bi)降落傘(san)的(de)傘(san)繩(sheng)應(ying)變(bian)進(jin)行(xing)了實時監測，為(wei)降落傘(san)優化(hua)設計提供了指導意(yi)見，為(wei)2021年5月15日(ri)“天(tian)問一號”探測器在火星(xing)成功(gong)著陸(lu)做出了貢獻。項目評(ping)審(shen)組(zu)高度評(ping)價：“所(suo)開發(fa)的(de)柔性傳感器及配套(tao)方(fang)案具有實用(yong)性、創新性和可(ke)擴展性，未來(lai)還可(ke)進(jin)一步(bu)用(yong)于其(qi)他(ta)柔性回收著陸(lu)設備(bei)”。
相關研究成果以Contact-Resistance-Free Stretchable Strain Sensors with High Repeatability and Linearity為題，近期發表于學術期刊ACS Nano。研(yan)究工作獲得大連理工大學、北(bei)京積水(shui)潭(tan)醫院、航(hang)天五院科(ke)(ke)(ke)研(yan)人員的幫助(zhu)和支持(chi)，并(bing)得到國家自(zi)然科(ke)(ke)(ke)學基金委面上項目(mu)、中科(ke)(ke)(ke)院基礎前沿(yan)科(ke)(ke)(ke)學研(yan)究計劃“從0到1”原始創新項目(mu)和北(bei)京市科(ke)(ke)(ke)委等(deng)的支持(chi)。
圖1.傳(chuan)感(gan)器的設計、制備和(he)機理
圖2.偏軸蛇形疊層結構的(de)力學和電學特性
圖3.封裝(zhuang)后(hou)應變(bian)傳感器的力(li)學(xue)和電學(xue)特(te)性
圖4.溫度自補償(chang)設計(ji)
圖5.人體(ti)活(huo)動監測、醫(yi)療(liao)手術和航天設備中(zhong)的典(dian)型應用
