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)測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。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，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，以滿足人們對寬線性范圍和高靈敏度的需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)赫曉東教授、彭慶宇教授團隊和四川大學(xué)張新星教授等研究人員提出一種梯度剛度滑動（GSS）設(shè)計策略，有效解決了這一難題，通過控制局部增強電場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），幾乎無遲滯且響應(yīng)時間快（17 ms）。這種梯度剛度滑動設(shè)計策略還可以應(yīng)用于其它類型柔性傳感器的設(shè)計，以實現(xiàn)超高靈敏度和線性度的雙重目標。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。

在這項研究工作中，研究人員從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，提出了一種電容式柔性應(yīng)變傳感器的設(shè)計策略——“梯度剛度滑動”方法，從根本上突破了最高靈敏度為1的理論極限。通過在離子層/電極界面上形成雙電層（EDL），并控制局部增強電場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 梯度剛度滑動設(shè)計策略的原理

測試結(jié)果表明，采用梯度剛度滑動設(shè)計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，該傳感器的電信號在整個線性范圍內(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，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 采用梯度剛度滑動設(shè)計的電容式柔性應(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)變時的動態(tài)響應(yīng)時間極短，僅為17 ms，檢測限（LOD）低至0.003%。該傳感器對應(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%）。

在實際應(yīng)用中，電信號的線性度至關(guān)重要。采用梯度剛度滑動設(shè)計的柔性應(yīng)變傳感器在整個測量范圍內(nèi)達到了近乎理想的線性度（R2 = 0.9997），完全能夠滿足實際使用需求。值得一提的是，由于這種線性特性是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計而非活性材料設(shè)計實現(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

采用梯度剛度滑動設(shè)計的電容式柔性應(yīng)變傳感器能夠在實際應(yīng)用中準確監(jiān)測各種人體信號，包括細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)定且準確地監(jiān)測日常生活中各種頻率的動作，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)用場景的需求。

圖4 采用梯度剛度滑動設(shè)計實現(xiàn)超靈敏、高線性度且無遲滯的電容式柔性應(yīng)變傳感器

綜上所述，這項研究將雙電層引入電容式柔性應(yīng)變傳感器的設(shè)計中，通過控制局部增強電場的分布以及襯底的非均勻變形來提高器件靈敏度，有效解決了電容式柔性應(yīng)變傳感器靈敏度低的問題，同時確保其在整個線性范圍內(nèi)具有高線性度和無遲滯。采用梯度剛度滑動設(shè)計的柔性應(yīng)變傳感器還展現(xiàn)出優(yōu)異的過伸保護和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有巨大的應(yīng)用潛力。此外，梯度剛度滑動方法有望成為一種通用設(shè)計策略，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