蘇業旺團隊的柔性大應變傳感器基礎研究在火星工程應用

　　柔性電子器件的應用場景包括健康監測、醫療手術、智能工業以及具有柔性大變形特征的航空航天設備，而柔性大應變傳感器是其中監測變形的關鍵元件。傳統基于金屬或半導體的應變片無法滿足與人體或柔性設備表面共形貼合的基本要求，并且傳感范圍比實際需求小。現有柔性大應變傳感器多是基于接觸電阻機制，即通過各種傳感材料及相應微結構設計實現導電微結構的接觸關系變化（從接觸到分離的變化，或涉及滲流效應與隧道效應的遠近關系變化），以此形成傳感器的可拉伸性和電阻變化。此類柔性大應變傳感器常用碳基材料（包括碳納米管、石墨烯、碳化絲綢、炭黑等）或金屬納米線及納米顆粒制備，相應的微結構有類彈簧結構、島隙結構、屈曲鞘芯纖維結構和類魚鱗結構等。這些應變傳感器通常具有較大的傳感范圍和靈敏系數，但其電學響應的重復性和線性度有待提高，原因是其核心傳感機理涉及到不穩定的接觸關系：接觸表面上復雜的滑移、摩擦和黏附關系；微結構的非線性變形；接觸模式的轉換。

　　近日，中國科學院力學研究所研究員蘇業旺團隊設計并制備出無接觸電阻式柔性大應變傳感器（圖1），包含一個偏軸蛇形疊層結構（蛇形聚酰亞胺基底與覆蓋層、偏離中心軸的蛇形康銅箔）和兩層彈性封裝層，其通過偏軸蛇形疊層結構中的拉伸-彎曲-拉伸變換機制實現0-50%的應變傳感范圍。理論分析、有限元模擬與實驗測試（圖2、圖3）的結果綜合表明，當傳感器的圓弧段半徑較大、聚酰亞胺基底寬度較窄、直線段較長和封裝層較厚時，可以獲得較大且穩定的彈性傳感范圍。在傳感過程中，由于敏感材料康銅部分既不產生不穩定的接觸電阻，也不涉及非線性本構和幾何關系，該傳感器保證了高重復性（重復性誤差=1.58%）和高線性度（擬合優度>0.999）。進一步地，研究利用特殊設計的偏軸蛇形疊層結構和惠斯通電橋電路實現了溫度自補償功能（圖4），最終傳感器的輸出電壓溫度系數可小至5×10-7°C-1。如圖5所示，該傳感器可以應用于監測頸部、手指和眼部等的人體實時運動，如眨眼、發聲和呼吸等；測量外科手術中組織變形，如全膝關節置換手術；監控柔性航天航空設備的應變狀態，如降落傘和高空氣球等。

　　該傳感器被應用于中國首顆火星探測器降落傘地面實驗，在風洞內巨大溫度變化、高速氣流沖擊和傘體劇烈晃動的情況下，應用該傳感器對縮比降落傘的傘繩應變進行了實時監測，為降落傘優化設計提供了指導意見，為2021年5月15日“天問一號”探測器在火星成功著陸做出了貢獻。項目評審組高度評價：“所開發的柔性傳感器及配套方案具有實用性、創新性和可擴展性，未來還可進一步用于其他柔性回收著陸設備”。

　　相關研究成果以Contact-Resistance-Free Stretchable Strain Sensors with High Repeatability and Linearity為題，近期發表于學術期刊ACS Nano。研究工作獲得大連理工大學、北京積水潭醫院、航天五院科研人員的幫助和支持，并得到國家自然科學基金委面上項目、中科院基礎前沿科學研究計劃“從0到1”原始創新項目和北京市科委等的支持。

圖1.傳感器的設計、制備和機理

圖2.偏軸蛇形疊層結構的力學和電學特性

圖3.封裝后應變傳感器的力學和電學特性

圖4.溫度自補償設計

圖5.人體活動監測、醫療手術和航天設備中的典型應用