柔(rou)(rou)(rou)(rou)性電(dian)(dian)子器件(jian)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)用場景包(bao)括(kuo)健康監(jian)測、醫(yi)療手術、智能工(gong)業(ye)以及(ji)具(ju)有柔(rou)(rou)(rou)(rou)性大(da)(da)變(bian)(bian)(bian)形特征的(de)(de)(de)航空航天設備，而柔(rou)(rou)(rou)(rou)性大(da)(da)應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)傳(chuan)感(gan)(gan)器是(shi)其(qi)(qi)中監(jian)測變(bian)(bian)(bian)形的(de)(de)(de)關鍵元(yuan)件(jian)。傳(chuan)統(tong)基(ji)(ji)于金(jin)(jin)屬(shu)或(huo)半導體的(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)片無法滿足與人體或(huo)柔(rou)(rou)(rou)(rou)性設備表(biao)面共形貼合的(de)(de)(de)基(ji)(ji)本要求，并且傳(chuan)感(gan)(gan)范圍比實(shi)際需求小(xiao)。現(xian)有柔(rou)(rou)(rou)(rou)性大(da)(da)應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)傳(chuan)感(gan)(gan)器多是(shi)基(ji)(ji)于接(jie)(jie)(jie)觸(chu)電(dian)(dian)阻(zu)機(ji)制，即通(tong)過各種傳(chuan)感(gan)(gan)材(cai)料及(ji)相應(ying)(ying)(ying)微結(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)設計實(shi)現(xian)導電(dian)(dian)微結(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)接(jie)(jie)(jie)觸(chu)關系變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)（從接(jie)(jie)(jie)觸(chu)到分離的(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)，或(huo)涉(she)及(ji)滲(shen)流效應(ying)(ying)(ying)與隧道效應(ying)(ying)(ying)的(de)(de)(de)遠近關系變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)），以此形成傳(chuan)感(gan)(gan)器的(de)(de)(de)可拉伸性和(he)電(dian)(dian)阻(zu)變(bian)(bian)(bian)化(hua)(hua)。此類(lei)柔(rou)(rou)(rou)(rou)性大(da)(da)應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)傳(chuan)感(gan)(gan)器常用碳(tan)基(ji)(ji)材(cai)料（包(bao)括(kuo)碳(tan)納米(mi)(mi)管、石墨烯、碳(tan)化(hua)(hua)絲綢、炭黑等(deng)(deng)）或(huo)金(jin)(jin)屬(shu)納米(mi)(mi)線及(ji)納米(mi)(mi)顆粒(li)制備，相應(ying)(ying)(ying)的(de)(de)(de)微結(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)有類(lei)彈簧結(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)、島隙結(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)、屈曲鞘芯纖維結(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)和(he)類(lei)魚鱗結(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)等(deng)(deng)。這些應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)(bian)傳(chuan)感(gan)(gan)器通(tong)常具(ju)有較大(da)(da)的(de)(de)(de)傳(chuan)感(gan)(gan)范圍和(he)靈敏(min)系數，但(dan)其(qi)(qi)電(dian)(dian)學響應(ying)(ying)(ying)的(de)(de)(de)重復性和(he)線性度有待提(ti)高，原因是(shi)其(qi)(qi)核心(xin)傳(chuan)感(gan)(gan)機(ji)理(li)涉(she)及(ji)到不穩定的(de)(de)(de)接(jie)(jie)(jie)觸(chu)關系：接(jie)(jie)(jie)觸(chu)表(biao)面上復雜的(de)(de)(de)滑移、摩擦和(he)黏附關系；微結(jie)構(gou)(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)非線性變(bian)(bian)(bian)形；接(jie)(jie)(jie)觸(chu)模式的(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5所(suo)示(shi)，該(gai)傳(chuan)感器可以應用于監(jian)測頸(jing)部(bu)、手(shou)(shou)指(zhi)和眼(yan)部(bu)等(deng)的人體實時運動(dong)，如(ru)眨眼(yan)、發聲和呼吸等(deng)；測量(liang)外科(ke)手(shou)(shou)術中組織變形，如(ru)全膝(xi)關節(jie)置(zhi)換手(shou)(shou)術；監(jian)控柔性航天航空設(she)備的應變狀態，如(ru)降落傘和高空氣(qi)球等(deng)。
該(gai)傳(chuan)感(gan)器被應用(yong)于中(zhong)國首顆(ke)火星(xing)探測(ce)器降落(luo)傘(san)地面實驗，在風洞內(nei)巨大(da)溫(wen)度變(bian)化、高(gao)速(su)氣流(liu)沖(chong)擊和(he)傘(san)體劇(ju)烈晃動(dong)的(de)情況下(xia)，應用(yong)該(gai)傳(chuan)感(gan)器對縮(suo)比降落(luo)傘(san)的(de)傘(san)繩應變(bian)進(jin)行了實時監測(ce)，為(wei)(wei)降落(luo)傘(san)優化設計提供了指導(dao)意見，為(wei)(wei)2021年(nian)5月15日“天問(wen)一號”探測(ce)器在火星(xing)成功著(zhu)陸做(zuo)出了貢獻(xian)。項目評(ping)審組高(gao)度評(ping)價(jia)：“所開發(fa)的(de)柔(rou)(rou)性傳(chuan)感(gan)器及配套(tao)方案(an)具有實用(yong)性、創新(xin)性和(he)可擴展性，未來還可進(jin)一步用(yong)于其他柔(rou)(rou)性回(hui)收(shou)著(zhu)陸設備”。
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)(yan)究工作(zuo)獲(huo)得大(da)連理工大(da)學、北京積水潭醫院(yuan)、航天(tian)五(wu)院(yuan)科研(yan)(yan)人(ren)員的幫助(zhu)和支持，并得到(dao)國家(jia)自(zi)然(ran)科學基(ji)金委(wei)面上(shang)項(xiang)目(mu)、中科院(yuan)基(ji)礎前(qian)沿(yan)科學研(yan)(yan)究計劃(hua)“從0到(dao)1”原始(shi)創新項(xiang)目(mu)和北京市(shi)科委(wei)等(deng)的支持。
圖1.傳感器的設(she)計(ji)、制備和機理
圖(tu)2.偏軸蛇形疊層結(jie)構的力學(xue)(xue)和電(dian)學(xue)(xue)特性(xing)
圖3.封(feng)裝后應(ying)變(bian)傳感器的力學和電學特性
圖4.溫度(du)自補償設計(ji)
圖(tu)5.人體活動監(jian)測(ce)、醫療手術和航天設備(bei)中的典型(xing)應用(yong)
