柔性應(yīng)變傳感器克服了傳統(tǒng)剛性傳感器生物相容性差和線性范圍窄的局限，在人工智能（AI）、電子皮膚、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。開發(fā)在寬線性范圍內(nèi)具備高靈敏度和高線性度的理想柔性應(yīng)變傳感器，是當(dāng)前研究的關(guān)鍵課題。柔性應(yīng)變傳感器根據(jù)工作原理一般分為壓電式、電阻式和電容式三類。與電阻式柔性應(yīng)變傳感器相比，電容式柔性應(yīng)變傳感器具有線性優(yōu)勢(shì)，但其受到靈敏度低的限制。因此，亟需打破電容式柔性應(yīng)變傳感器靈敏度低的限制，以滿足人們對(duì)寬線性范圍和高靈敏度的需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)赫曉東教授、彭慶宇教授團(tuán)隊(duì)和四川大學(xué)張新星教授等研究人員提出一種梯度剛度滑動(dòng)（GSS）設(shè)計(jì)策略，有效解決了這一難題，通過(guò)控制局部增強(qiáng)電場(chǎng)的分布以及襯底的非均勻變形，成功制備了性能優(yōu)異的電容式柔性應(yīng)變傳感器。該傳感器在超寬線性范圍內(nèi)具有極高的靈敏度（9.1 × 10?）和線性度（R2 = 0.9997），幾乎無(wú)遲滯且響應(yīng)時(shí)間快（17 ms）。這種梯度剛度滑動(dòng)設(shè)計(jì)策略還可以應(yīng)用于其它類型柔性傳感器的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)超高靈敏度和線性度的雙重目標(biāo)。相關(guān)研究成果以“Ultra-sensitive, highly linear, and hysteresis-free strain sensors enabled by gradient stiffness sliding strategy”為題發(fā)表在npj Flexible Electronics期刊上。

在這項(xiàng)研究工作中，研究人員從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，提出了一種電容式柔性應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)策略——“梯度剛度滑動(dòng)”方法，從根本上突破了最高靈敏度為1的理論極限。通過(guò)在離子層/電極界面上形成雙電層（EDL），并控制局部增強(qiáng)電場(chǎng)的分布和襯底的非均勻變形，成功制備出性能優(yōu)異的電容式柔性應(yīng)變傳感器。

圖1 梯度剛度滑動(dòng)設(shè)計(jì)策略的原理

測(cè)試結(jié)果表明，采用梯度剛度滑動(dòng)設(shè)計(jì)策略的電容式柔性應(yīng)變傳感器，在超寬線性范圍內(nèi)展現(xiàn)出極高的靈敏度（9.1 × 10?）。更為關(guān)鍵的是，該傳感器的電信號(hào)在整個(gè)線性范圍內(nèi)保持了極高的度線性（R2 = 0.9997）。在施加應(yīng)變之前，離子層/電極界面的接觸面積相對(duì)較小，雙電層形成較少，初始電容C?僅為幾pF。隨著應(yīng)變的增加，梯度剛度層中較軟的部分開始變形和伸長(zhǎng)，電極與離子層之間的接觸面積顯著增加，雙電層電容大幅提升（接近μF），從而展現(xiàn)出極高的靈敏度。

圖2 采用梯度剛度滑動(dòng)設(shè)計(jì)的電容式柔性應(yīng)變傳感器的傳感性能

相較于電阻式柔性應(yīng)變傳感器，該研究提出的電容式柔性應(yīng)變傳感器在拉伸到0.5%應(yīng)變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間極短，僅為17 ms，檢測(cè)限（LOD）低至0.003%。該傳感器對(duì)應(yīng)變速率的靈敏度也很低，在0.25、0.5和1 mm·s?1拉伸速率下，電容變化保持恒定，為7.2 μF（ε = 30%）。

在實(shí)際應(yīng)用中，電信號(hào)的線性度至關(guān)重要。采用梯度剛度滑動(dòng)設(shè)計(jì)的柔性應(yīng)變傳感器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到了近乎理想的線性度（R2 = 0.9997），完全能夠滿足實(shí)際使用需求。值得一提的是，由于這種線性特性是通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而非活性材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，因此具有極佳的穩(wěn)定性，即使在復(fù)雜的拉伸條件下，電信號(hào)也能保持線性一致。

圖3 電容式柔性應(yīng)變傳感器出色的線性度和靈敏度

采用梯度剛度滑動(dòng)設(shè)計(jì)的電容式柔性應(yīng)變傳感器能夠在實(shí)際應(yīng)用中準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)各種人體信號(hào)，包括細(xì)微的表情變化到大幅度的手臂和膝蓋彎曲。此外，該傳感器還能穩(wěn)定且準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)日常生活中各種頻率的動(dòng)作，包括快速搖晃咖啡和慢速炒菜等。值得一提的是，利用透明電極還可以進(jìn)一步制備透明柔性應(yīng)變傳感器，從而滿足一些特定應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

圖4 采用梯度剛度滑動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超靈敏、高線性度且無(wú)遲滯的電容式柔性應(yīng)變傳感器

綜上所述，這項(xiàng)研究將雙電層引入電容式柔性應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)中，通過(guò)控制局部增強(qiáng)電場(chǎng)的分布以及襯底的非均勻變形來(lái)提高器件靈敏度，有效解決了電容式柔性應(yīng)變傳感器靈敏度低的問(wèn)題，同時(shí)確保其在整個(gè)線性范圍內(nèi)具有高線性度和無(wú)遲滯。采用梯度剛度滑動(dòng)設(shè)計(jì)的柔性應(yīng)變傳感器還展現(xiàn)出優(yōu)異的過(guò)伸保護(hù)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有巨大的應(yīng)用潛力。此外，梯度剛度滑動(dòng)方法有望成為一種通用設(shè)計(jì)策略，應(yīng)用于其它類型的柔性傳感器，為提升柔性傳感器性能以及開拓柔性電子技術(shù)新領(lǐng)域注入新的活力。

論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-024-00301-7

審核編輯：劉清