基于导电岛阵列的高灵敏度应变传感器，具有增强的工作范围

《Sensors and Actuators A: Physical》：Highly sensitive channel-cracked strain sensor with enhanced working range based on conductive island array

应变传感器研究：基于步石结构的导电岛阵列提升金属裂纹传感器灵敏度与延展性，通过选择性挤压工艺实现高效电桥接，支持30%宽应变范围检测，循环稳定性达1000次，应用于手腕动作实时监测。

　　

姜东柱 | 金钟满

韩国釜山国立大学纳米融合技术系，釜山 46214

摘要

尽管大多数具有通道裂纹的应变传感器具有高灵敏度，但它们的延展性却有限。在这里，我们提出了一种新的方法，基于一种基于阶梯式架构的导电岛屿阵列（CIA），旨在有效实现通道裂纹传感器的平衡应变传感性能。这种基于CIA的应变传感器可以通过在薄通道裂纹金属膜上简单图案化导电岛屿，并使用一种简便的选择性挤压工艺来轻松制备。在超过临界裂纹应变（通常<5%）时，CIA传感层中的平行通道裂纹会由于穿透性断裂行为而完全打开，但相邻开放裂纹之间的一些金属条带仍然能够电连接导电岛屿（阶梯效应），从而同时实现高灵敏度（最大灵敏度系数约为349.9 @ 2–7%）和宽的应变范围（30%）。CIA传感器还表现出可忽略的迟滞效应和长期性能稳定性（在30%应变下可承受1000次循环）。最后，CIA应变传感器成功安装在了手腕区域，用于实时测量各种人体运动，展示了其多样的应用潜力。

引言

近年来，人们为开发高性能的可穿戴应变传感器做出了大量努力，这些传感器可用于实时健康监测、人体运动检测和电子传感皮肤等领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。迄今为止，已经报道了许多类型的柔性及可伸展应变传感器，它们采用不同的传感机制，如电阻式、电容式、光学式、压电式和摩擦电式[8]、[9]、[10]、[11]。

其中，基于金属裂纹的电阻式传感器因其优异的特性（如超高的机械灵敏度、易于制造和简单的设备架构）而受到了广泛关注[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。例如，Kang等人通过在薄金属膜中形成平行机械裂纹，开发出一种超灵敏的电阻式传感器，其灵敏度系数（GF）超过2000，显示出作为可穿戴人体运动检测器的潜力[12]。然而，尽管这类传感器对外部应变具有极高的灵敏度，但由于拉伸时机械裂纹的穿透性，它们的延展性通常有限（通常<5%）。

为了克服传统通道裂纹金属应变传感器的关键缺陷，一些研究尝试通过调节裂纹形态来实现平衡的传感性能（即高灵敏度和宽的传感范围）。研究表明，通过适当控制裂纹形态，可以同时提高通道裂纹应变传感器的有效应变范围并实现高灵敏度[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。首先，在薄金属膜和基底聚合物衬底之间引入功能性物理结构对于有效调节裂纹形态、从而优化传感性能非常有帮助[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。这些功能性结构可以通过在聚合物衬底上沉积具有独特几何形状的结构层[20]、[21]、[22]、[23]、[24]或在金属沉积前直接对聚合物衬底进行结构化处理[25]、[26]、[27]来制备。Kim等人使用M13噬菌体薄膜在拉伸过程中重新分配弹性体衬底的表面应变，从而改善了工作范围（约24%），并在20–24%应变下实现了超过800的最大灵敏度系数[20]。此外，使用导电中间层即使在裂纹打开的情况下也能提供额外的电流路径，进一步优化了传感性能[21]、[22]、[23]、[24]。同时，Shi等人通过使用生物模板技术在基底弹性体衬底上形成功能性微结构来控制裂纹扩展，从而在基于金属裂纹的应变传感器中实现了平衡的传感性能（80%应变下的灵敏度系数为350）[25]。

其次，无需使用物理中介结构，也可以通过改变传感膜的裂纹条件来轻松编程薄金属膜的裂纹结构[28]、[29]、[30]。此外，发现薄金属膜的厚度控制可以有效调节机械裂纹的形状和密度[28]、[29]。例如，Yu等人基于具有厚度梯度的金属膜制备了具有分支或层次化裂纹形态的多功能应变传感器，同时实现了高灵敏度（57–70%应变下的灵敏度系数超过21000）和宽的传感范围（约70%）[28]。Zhu等人通过等离子体处理修改基底弹性体衬底的表面化学性质，成功控制了蒸发金膜的特定裂纹条件，使得传感器具有超过10000的高灵敏度系数（低密度裂纹）和高达100%的延展性（高密度裂纹）[30]。然而，大多数报道的技术通常会导致随机裂纹形态的形成，这通常会妨碍传感器的可重复制造和性能。

在这项工作中，我们提出了一类简单的方法，基于受阶梯式架构启发的导电岛屿阵列（CIA），有效提高了高灵敏度薄通道裂纹金属膜应变传感器的延展性。这种功能性的CIA结构通过提供新开发的电流路径，使通道裂纹传感器能够在更宽的应变范围内工作，因为导电岛屿在拉伸过程中通过裂纹之间的金属条带电连接，从而防止设备在超过临界裂纹应变时发生电气故障（即阶梯效应）。因此，使用所提出的CIA结构装饰的通道裂纹传感器表现出平衡的应变传感性能（最大灵敏度系数约为349.9，检测范围宽达30%），这是由于通道裂纹打开（高灵敏度）和拉伸时的阶梯效应（增强延展性）的协同作用。传感器响应具有高度可逆性，没有显著的迟滞效应，并且在20%应变下经过1000次拉伸循环后仍能保持稳定。此外，所提出的CIA传感器通过使用定制的阴影掩模，在聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体片上形成的通道裂纹铂（Pt）膜上周期性加载导电环氧图案，通过简便的选择性挤压工艺轻松制备。特别是，与直接随机调节金属膜裂纹结构的研究相比，所提出的基于CIA的性能增强方法更为直接，因为它仅通过引入功能性CIA结构来控制传感层的电流路径，而不改变裂纹的固有形态。这也使得传感器制造过程整体简单且可重复，因为不需要任何复杂的裂纹形态优化工艺。基于其出色的性能，CIA应变传感器成功应用于手腕区域，实时监测各种人体活动（例如关节弯曲和脉冲运动），证明了其作为可穿戴运动检测设备的适用性。

部分摘要

应变传感器的制备

为了制备弹性体衬底，首先将PDMS的前驱体和交联剂（Sylgard 184试剂盒，Dow Corning）按10:1的重量比充分混合，然后在真空干燥器中脱气20分钟，以完全去除溶液中的气泡。脱气的混合物小心地倒入干净的载玻片上，随后在对流烤箱中于70℃下热固化90分钟。交联后的PDMS片材被切割成尺寸为30毫米的矩形块。

结果与讨论

所提出的可伸展CIA应变传感器的设计结构如图1(a)所示。CIA传感器具有简单的三层结构：周期性图案化的导电环氧层（顶层）、薄通道裂纹金属膜层（中间层）和可伸展弹性体衬底层（底层）。CIA传感器的基本结构设计与传统的金属裂纹传感器[12]、[13]、[14]几乎相同。

结论

在这项工作中，我们开发了一种新的方法，基于受阶梯式架构启发的CIA，可以轻松高效地提高超灵敏通道裂纹应变传感器的工作应变范围。所提出的CIA传感器通过使用简单的基于阴影掩模的选择性挤压技术在薄通道裂纹金属膜上制备导电环氧图案层，从而轻松制备。

作者贡献声明

金钟满：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。姜东柱：撰写 – 原稿、研究、正式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（项目编号RS-2024-00406152）。

姜东柱于2022年在韩国釜山国立大学获得了纳米融合技术硕士学位。他目前正在韩国釜山国立大学攻读博士学位。他的当前研究兴趣包括功能性纳米材料的合成与应用、导电聚合物复合材料的微图案化及应用，以及可穿戴传感器。