较宽工作范围的高分辨率应变传感器的分层协同结构

研究背景

随着技术的发展，用于个人保健、人机界面和机器人的可穿戴设备拥有巨大的前景。应变传感器作为可穿戴设备的重要组成部分，在最近几年引起了极大的关注。人体提供了丰富的应变信号，这些信号是由人的姿势、活动和各种生物信号引起的，可以通过应变传感器来检测，以应用于健康监测。因此，需要高灵敏度来检测包括心跳、发音和呼吸在内的微小运动。而在实际应用中，健康监测的微小应变信号通常伴随着由身体运动引起的巨大应变这就要求有宽广的检测范围、高灵敏度和高应变分辨率，以确保在不同的应变水平下保持完整的功能。然而，目前的应变传感器一般只具备上述的一个特点，要么是高灵敏度而检测范围窄，要么是宽检测范围而低灵敏度，同时，高应变分辨率在柔性应变传感器中很少被研究。

应变传感器的高灵敏度通常与应变下的巨大结构变化导致电导率的急剧变化有关，例如基于裂纹的应变传感器。传统的高灵敏度基于裂纹的应变传感器大多基于脆性金属薄膜，其目的是在应变下产生裂纹以释放能量。基于裂纹的应变传感器的传感机制是基于裂纹的可逆分离和连接，在应变下引起巨大的电阻变化，使基于裂纹的应变传感器具有高灵敏度，但检测范围通常低于5%的应变。尽管基于裂纹的应变传感器的灵敏度很高，但狭窄的检测范围大大限制了其应用。因此，人们在修改传感薄膜的材料和结构以及工程裂纹结构 (如裂纹密度、裂纹深度、裂纹连接、和裂纹分布以提高传感性能方面做出了许多努力。

至于广泛的检测范围，相比之下，扩大检测范围需要在应变下进行小的结构变化，以确保导电路径的坚固性。具有宽检测范围的应变传感器通常是通过将导电填料混合到聚合物基体中形成复合结构而制备的。因此，各种传感材料已被报道包括金属纳米材料(如纳米线，纳米片和纳米颗粒)，碳基材料这类结构通过将施加的应变稀释为导电填料的微小距离变化，在大应变下保持导电路径的稳健性，从而获得广泛的检测范围。因此它通常表现出低灵敏度。因此，单一结构很难同时满足高应变分辨率、高灵敏度和宽检测范围的要求。同时实现上述特性的关键点是解决大应变范围下对大结构变化的需求和小结构变化的需求之间的矛盾。

研究成果

近年来，由于可穿戴设备的应用前景广阔，应变传感器已经引起了巨大的关注。然而，如何在高分辨率、高灵敏度和宽广的检测范围之间进行权衡是应变传感器应用的一个巨大挑战。在此，北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员团队报告了一种新型的金微裂缝和碳黑(CB)纳米颗粒的分层协同结构(HSS)设计来克服这一挑战。基于所设计的HSS 的应变传感器同时表现出高灵敏度(GF>2400)、高应变分辨率(0.2%)，即使在大的负载应变下也是如此，检测范围广(>40%)、稳定性突出>12000次)、响应速度快。此外，实验和模拟结果表明，炭黑层极大地改变了金微裂缝的形态，形成了微尺度金裂缝和纳米尺度炭黑颗粒的分层结构，从而实现了协同效应和金微裂缝与 CB纳米颗粒的双重导电网络。基于优异的性能，该传感器成功地应用于监测身体运动时颈动脉脉搏的微小信号，说明其在健康监测、人机界面、人体运动检测、电子皮肤等方面的应用潜力巨大。相关研究以“Hierarchical Synergistic Structure for High Resolution Strain Sensor with Wide Working Range”为题发表在Small期刊上。

图文导读

Figure 1. Illustration of Au and CB double conductive network hierarchical synergistic structure based strain sensor design concept and fabrication. The scale bar is 500 nm.

Figure 2. Fabrication and characterization of the HSS.

Figure 3. Sensing performance of the HSS based strain sensors.

Figure 4. Crack morphology and strain distribution of strain sensor built from CB-Au film and gold film.

Figure 5. Application of strain sensor built from CB-Au film in small physiological signal detection.

Figure 6. High resolution sensing performance of HSS based strain sensors.

总结与展望

在这项工作中，作者设计了一个由金微裂缝和 CB 纳米粒子组成的分层结构，这可以实现协同效应和双导电网络。金微裂缝和 CB 纳米颗粒的分层结构的协同变形和双导电网络的构建使基于HSS 的应变传感器具有高灵敏度 (GF=2420)、高应变分辨率(0.2%)和 5%的宽检测范围。此外，还将基于 HSS 的应变传感器应用于监测生物信号和身体运动，这表明其在个人保健、人机界面和机器人技术方面的应用具有高度吸引力。设计的金和 CB 分层协同结构的应变传感器是向可穿戴系统的利用迈出的坚实一步。

文献链接

Hierarchical Synergistic Structure for High Resolution Strain Sensor with Wide Working Range

https://doi.org/10.1002/smll.202301544

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