《Sensors and Actuators A: Physical》：High-performance flexible strain sensors using induced microcracks
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采用PI薄膜基材与平行微条纹结构，结合激光加工和微笔直接书写技术，成功制备出高灵敏度（71.4至871.5）且耐高温的微裂纹柔性应变传感器，具有快速响应（45ms）和低成本大规模制造潜力。
帅朗|马继亮|袁康龙|朱文武|秦敖|朱博仕|马宇森|史建旭|安宁莉|彭军
中国西安交通大学航空航天动力系统与等离子体技术国家重点实验室，西安710049
摘要
柔性应变传感器在可穿戴设备和人体生理信号监测方面具有广泛的应用潜力。基于裂纹的柔性应变传感器因其高灵敏度而备受关注。然而，以往研究中的柔性基底主要是PDMS（聚二甲基硅氧烷）和PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯），这两种材料在耐高温性能方面存在严重缺陷，且电阻裂纹的形成缺乏稳定可靠的制造方法。在本研究中，我们在表面具有平行微带结构的PI（聚酰亚胺）薄膜基底上制备了一种高灵敏度的基于裂纹的柔性应变传感器。通过拉伸或弯曲PI基底诱导电阻材料的微裂纹，微带会放大应变。该传感器在低应变下表现出良好的灵敏度（0.3%应变时的灵敏度系数为71.4，0.3–1.2%应变时为242.5，1.2–2%应变时为871.5）。结合其良好的柔韧性、高分辨率、快速响应特性以及可控的裂纹参数，我们设计出了一种基于裂纹的柔性应变传感器，由于PI具有耐高温性能，因此该传感器适用于多种应用场景，并且可以实现低成本的大规模生产。
引言
柔性电子设备在人体生理信号监测领域有着广泛的应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。近年来，柔性传感、智能监测和可穿戴设备成为研究热点[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。应变传感器是这些设备中最常用的类型之一[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。电阻应变传感器在健康监测和运动数据采集中发挥着重要作用，因为它们具有易于读取数据和简单制造的特点[25]、[26]、[27]、[28]。传统的金属和半导体型应变传感器能够检测微小变形，但在检测弯曲或微小变形时效果较差，这限制了其在脉冲检测、声音信号采集等领域的应用。具有优异弯曲性能的柔性聚合物基底展现出广阔的应用前景[29]、[30]、[31]、[32]。应变传感器最重要的参数是灵敏度系数（GF），它定义为电阻相对变化与应变的比值。
近年来，基于裂纹的应变传感器受到了广泛关注[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。Kang等人将Pt电阻薄膜沉积在PUA（聚脲）基底上，并提出传感器中的电阻材料微裂纹具有断开和重新连接的机制[41]。他们的传感器在低应变范围内的灵敏度高达2000。然而，PUA基底不适用于直接沉积金（Au）和银（Ag）等金属，因为基底与金属之间的粘附力较低，这大大限制了材料的选择。Yang等人在PDMS基底上沉积了Au薄膜，并提出了导致不同应变范围内灵敏度系数GF差异的模型，即重叠模型和电子隧穿模型[42]。穿透通道裂纹的形成难以控制。Li等人开发了一种激光引导各向异性刻蚀（LGAE）方法，该方法能够对玻璃材料进行高精度加工，制造出具有精确特征和可调节形状及大小的微结构，是制备微结构玻璃基底的优秀方法[43]。Chung等人利用光刻和物理气相沉积技术制备了高度均匀的纳米级（小于10纳米）可控裂纹，确保了裂纹的均匀性和可重复性[44]。然而，光刻和物理气相沉积方法成本较高且复杂，大大限制了材料的选择范围，目前主流的柔性应变传感器基底耐高温性能较差[45]。
在本研究中，我们提出了一种新的制造方法，采用聚酰亚胺薄膜作为基底材料，通过激光加工、转移涂布、热固化以及微笔直接书写等技术制备出具有微裂纹的柔性应变传感器，其中电阻材料采用固化后的柔性银浆。基底材料带有微凸点阵列结构，预拉伸过程可以引导表面电阻材料产生应力集中并形成微裂纹。与以往的研究相比，本方法的制造成本更低，工艺更简单，可以定义电阻材料的形状，并且通过激光加工的图案和深度控制微裂纹的宽度、高度和密度。制备的微裂纹应变传感器在低应变下具有高灵敏度（0.3%应变时的灵敏度系数为71.38，0.3–1.2%应变时为242.54，1.2–2%应变时为871.48），响应时间快（45毫秒）。此外，这些传感器具有优异的弯曲性能、高分辨率，可成功用于检测和识别人体关节旋转、肌肉收缩和声音振动等信号。
材料与设备
硅晶圆（两英寸，厚度0.5毫米）。聚酰亚胺溶液（固含量20%，粘度10000-25000 mpa?s）。柔性导电银浆（粘度12000-35000 mpa?s）。DS608氟类脱模剂购自东瑞电子科技有限公司。12AcSpin涂布机购自济南英贵仪器有限公司。JD200Mini微笔直接书写打印机购自西安瑞特3D科技有限公司。材料测试机购自深圳万策测试设备有限公司。
聚酰亚胺微结构薄膜的制备
如图所示
结果与讨论
微裂纹应变传感器的制备过程如图1所示。首先通过翻模工艺制备出具有微结构的聚酰亚胺基底（图1a-d），然后在微结构上打印柔性导电银浆作为电阻敏感材料来制备应变传感器（图1e）。如图1f所示，该传感器具有良好的弯曲性能。沿纵向对传感器施加2%的应变，并进行循环预拉伸
结论
总之，我们提出了一种简单、低成本的制备高灵敏度微裂纹柔性应变传感器的方法。通过简单的激光加工和转移印刷技术成功制备了带有微阵列突起的聚酰亚胺基底薄膜，并通过直接书写和预拉伸技术制备出了具有微裂纹的敏感电阻器。制备的传感器在低应变下具有高灵敏度（0.3%应变时的灵敏度系数为71.38，0.3–1.2%应变时为242.54，1.2–2%应变时为871.48）
资助
本工作得到了航空航天动力系统与等离子体技术国家重点实验室的支持，资金来自国家自然科学基金（项目编号：52175248、52075440）和中国陕西省的重点研发计划（项目编号：2023-YBGY-358）。
作者贡献声明
朱博仕：软件开发、项目管理工作。
秦敖：数据管理、概念构思。
朱文武：项目管理工作、数据分析、数据管理。
彭军：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理工作、方法论研究、资金申请、概念构思。
安宁莉：撰写、审稿与编辑、监督。
史建旭：撰写、审稿与编辑。
马宇森：监督、研究工作。
袁康龙：方法论研究、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
无
帅朗于2022年获得中国上海同济大学机械工程学士学位，目前正在西安交通大学攻读机械工程硕士学位。他的研究兴趣包括柔性传感器和虚拟现实（VR）应用开发。
