Advanced Materials Technologies: “桥结构应变隔离”策略助力应变传感器的拉伸性能

柔性可穿戴应变传感器通过将机械刺激转换为可读电信号,在电子皮肤等领域极具应用。高灵敏度能确保传感器精确感知和高质量输出信号,而良好的可拉伸性(e≥100%)能够拓展传感器的应用范围。对于人体运动检测,理想的传感器须兼具高灵敏度和大拉伸性。目前已报道基于裂纹结构的应变传感器具有制备方法简单、灵敏度高等优点,即在小变形情况下,通过在导电层中产生裂纹引起电阻的急剧变化,进而提升传感器的灵敏度。但该类传感器的拉伸性能往往较低(e<50%),从而限制了其应用范围。此外,多重方向拉伸还会导致其裂纹结构改变, 从而使其失效。因此,如何设计高灵敏度、大拉伸性能且兼备多方向应变检测能力的裂纹基应变传感器仍具挑战性。

图1 基于“桥结构”应变隔离设计的可拉伸应变传感器。a) “桥结构”应变传感器示意图。b) 50%应变拉伸下“桥结构”的截面图。c) 桥结构应变传感器分别在静止和拉伸状态下的实物照片(左侧),表面SEM图(中间和工作原理示意图(右侧)。

针对上述裂纹基应变传感器存在的问题,湘潭大学材料科学与工程学院王秀锋教授团队与合作者提出一种具有应变隔离效应的“桥结构”新策略,即通过简单的力学结构改良传统裂纹应变传感器,从而使其实现高灵敏度和较大拉伸性能,且兼备检测多方向变形的能力。“桥结构”由裂纹及裂纹上方的柔性Ecoflex薄层组装而成,拉伸变形时通过其应变隔离效应,有效分散下层应变的传递,防止顶部导电层破坏,从而保证在较高灵敏度的前提下提高器件的拉伸性能。该“桥结构”应变传感器具有高灵敏度(GF>1000)、良好线性测量、优异拉伸性能(≈123%)、小检测极限(0.1%约45μm),及高可靠性(80%应变下循环5000次)。能够用于如脉搏测量、语音识别等小应变检测,也可以用于人体关节运动等大应变检测。进一步通过元胞自动机算法和刚性岛柔性基底模型等共同揭示了传感器的“桥结构”应变隔离效应机制。此外,基于简单的两步预拉伸法,构造了具有网络状裂纹结构的双向“桥结构”应变传感器,显示出各向同性的应变传感行为,可用于多方位的人体运动检测。该研究为“高灵敏度、大拉伸性能且兼备多方向应变检测的应变传感器”提供了一种简便有效的新策略,它还可以扩展到其它导电材料和可拉伸聚合物基底中,具有巨大的应用前景。

相关论文发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201900309),王秀锋教授为通讯作者,博士研究生刘杨承毅为第一作者,本科生范航海为第二作者。