高性能、可量產的確定性接觸電阻式編織結構大應變傳感器
近年來，各種智能可穿戴設備被廣泛應用于人機交互、運動監測和醫療健康等領域，其中大應變傳感器是監測變形的關鍵元器件，可以實現對人體運動信號的全范圍監測，包括呼吸、脈搏、肌肉運動以及各關節處的運動。然而傳統應變片的測量范圍一般在5%以內，不能滿足目前的需求。用于智能穿戴設備中的大應變傳感器應具備以下幾種基本特征：1）測量范圍廣。為了監測人體關節處的大變形，應變傳感器的傳感范圍一般需達50%。2）適當大的靈敏度。這有利于測量微小變形，避免較大的測量誤差。3）高重復性。這是應變傳感器對循環拉伸變形做出準確響應的關鍵。4）魯棒性。包括可水洗性、耐磨性、對微缺陷不敏感以及能承受極端載荷的能力。5）低造價和可連續生產的能力。6）在特殊應用場景下的其他重要性能，如高線性度、快速響應時間、低松弛和溫度不敏感等。經過科研人員的不懈努力，大量的大應變傳感器應運而生。
目前廣泛研究的大應變傳感器主要包括以下三種：（a）裂紋基應變傳感器。這種傳感器通常具有較大的靈敏度和測量范圍，但是由于裂紋的隨機性和裂紋間接觸關系的不穩定性導致重復性不理想。（b）織物類應變傳感器。這種傳感器相對于裂紋基應變傳感器具有較為穩定的接觸關系，但是織物間相互約束較弱、容易滑移和松弛，從而影響信號的穩定性。（c）無接觸電阻式應變傳感器。此前研究者提出的無接觸電阻式應變傳感器具有良好的線性度和重復性，但是其靈敏度較低（約0.005）。因此，研制一種測量范圍廣、靈敏度適當高、重復性高、能連續生產的大應變傳感器具有重要意義和挑戰性。
近日，中科院力學所蘇業旺研究員團隊設計并制備了一種高性能、可量產的確定性接觸電阻式編織結構大應變傳感器（如圖1）。在這一編織結構中，滌綸纖維將銀纖維與乳膠絲基底緊緊捆綁到一起形成“Y”形結構，這避免了拉伸過程中纖維間的滑移從而使得應變傳感器具有較高的重復性（重復性誤差3.74%）。得益于這種特殊的編織結構，該應變傳感器具有適當高的靈敏度（靈敏系數可達140）和較大的測量范圍（50%）。此外，為了更深入地研究該應變傳感器的傳感機理，還建立了相關的力-電耦合模型，所得理論結果與實驗結果一致（如圖2）。該編織結構應變傳感器還具有高魯棒性、響應時間快（128ms）及對溫度不敏感等性能（圖3）。如圖4所示，該應變傳感器可應用于運動姿態的監測與矯正、醫療康復以及人機交互等領域。同時，這種編織結構應變傳感器具有低成本、可連續化生產的特點，這對實現真正的“落地化”生產與應用具有重要意義。
該研究成果以“Stretchable Strain Sensors based on Deterministic-Contact-Resistance Braided Structures with High Performance and Capability of Continuous Production”為題發表于學術期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202208216）。論文第一作者為中科院力學所博士生李居曜，通訊作者為中科院力學所蘇業旺研究員。參與該工作的還有本課題組已畢業的李爽博士。該工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院從0到1原始創新計劃、中國科學院交叉學科創新團隊和中組部WRQB人才計劃等項目的支持。
圖1 編織結構應變傳感器制備過程及照片。a）傳感器制備過程，b）傳感器宏觀與微觀照片，c）傳感器的拉伸、彎折和扭轉。
圖2 傳感器的傳感性能與機理。a）應變傳感器相對電阻變化與施加應變關系的實驗與理論結果對比，b）應變傳感器在50%應變作用下進行40000次循環測試，c）40000次循環加載前后各5次實驗結果，d）不同施加應變作用下應變傳感器微觀結構的SEM圖，e）傳感器的電、力模型示意圖。
圖3 應變傳感器的動態性能及魯棒性。a）傳感器對小應變的響應，b）應變傳感器的響應/恢復時間，c）加載速度對傳感器信號響應的影響，d）溫度對傳感器信號的影響，e）扭轉對傳感器的影響，f）水洗對傳感器的影響，g）微缺陷對傳感器信號的影響，h）具有1-mm微缺陷的傳感器在50%應變下的2000次循環加卸載。
圖4 編織應變傳感器的代表性應用。a）傳感器與健身衣的集成，b）正確與錯誤健身姿態下傳感器的響應，c）傳感器對脈搏信號的測量，d）傳感器對頸部康復運動的監測，e）傳感器對膝關節康復運動的監測，f）由該傳感器制備的智能手套對機械手掌的遠程控制。
原文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208216