一、研究介紹

近日，四川大學(xué)機械工程學(xué)院MEMS團隊在柔性可穿戴傳感器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出了一種基于離子-電子傳輸通道協(xié)同機制的應(yīng)變傳感器，通過電子傳感層與離子傳感層之間的阻抗不匹配以及獨特的傳感機制，有效解決了應(yīng)變傳感器靈敏度和傳感范圍不可兼得的難題，同時實現(xiàn)了超高靈敏度和寬傳感范圍。該成果以“Synergistic ionic and electronic transport pathways enabled strain sensors with ultra-high and modulable sensitivity within wide working range”為題，發(fā)表于國際知名期刊《Nano research》（川大B刊，IF=9.0）。論文第一作者是2022級博士生宋洋洋，論文通訊作者為四川大學(xué)王竹卿教授、吳曉東研究員。

二、研究背景

可穿戴柔性應(yīng)變傳感器在健康監(jiān)測、運動指導(dǎo)及人機交互等領(lǐng)域具有關(guān)鍵作用。靈敏度和傳感范圍是應(yīng)變傳感器的兩個關(guān)鍵參數(shù)。高靈敏度有利于采集脈搏、發(fā)音等細(xì)微生理信號，寬傳感范圍則用于監(jiān)測大幅度的關(guān)節(jié)運動。然而，傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器長期面臨“靈敏度-傳感范圍”難以兼顧的瓶頸。傳統(tǒng)電子型傳感器以電子作為信號傳輸載體，傳感層再拉伸狀態(tài)下產(chǎn)生微裂紋，從而實現(xiàn)了高靈敏度。然而，大應(yīng)變下導(dǎo)電通路完全斷裂，導(dǎo)致傳感范圍窄；新興的離子型傳感器（如水凝膠、離子凝膠傳感器）依托離子傳輸機制，雖具備高拉伸性與寬工作范圍，但靈敏度極低（GF通常低于4），對微小形變的檢測能力有限。

三、研究思路

針對以上挑戰(zhàn)，四川大學(xué)機械工程學(xué)院王竹卿教授與吳曉東研究員團隊，成功開發(fā)出一種基于協(xié)同離子-電子傳輸通路（Synergistic Ionic and Electronic Pathways, SI&EP）的應(yīng)變傳感器。該傳感器融合了兩種不同的傳感機制：電子傳感層采用褶皺-裂紋結(jié)構(gòu)，在低應(yīng)變條件下通過裂紋擴展實現(xiàn)高靈敏度，能夠精準(zhǔn)捕捉細(xì)微的生理信號；離子傳感層（PVC/DBA/[EMIM][TFSI]）則憑借其內(nèi)部穩(wěn)定的物理-化學(xué)網(wǎng)絡(luò)，具備高達(dá)200%的拉伸性能，適用于大尺度形變監(jiān)測。由于兩傳感層之間存在顯著的阻抗差異（電子層阻抗遠(yuǎn)低于離子層）以及各自獨特的傳感機制，傳感器在低應(yīng)變時主要由電子層主導(dǎo)，提供高靈敏響應(yīng)；而在大應(yīng)變導(dǎo)致電子通路斷裂后，離子層能夠無縫接管信號傳導(dǎo)，從而實現(xiàn)了傳感范圍的極大拓展。SI&EP應(yīng)變傳感器有效整合了兩層材料的性能優(yōu)勢，在“超高靈敏度”與“超寬工作范圍”兩方面取得突破。實驗表明，該傳感器在0–20%應(yīng)變區(qū)間的應(yīng)變因子（GF）高達(dá)211.8，而在20–24.3%應(yīng)變區(qū)間內(nèi)GF更飆升至5805.3，同時其傳感范圍可延伸至200%。

基于上述性能，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)從微弱生理信號到大幅度關(guān)節(jié)運動的全范圍監(jiān)測，包括手腕脈搏的細(xì)微特征（如舒張波D、潮波T、叩擊波P）、發(fā)音振動、呼吸變化，以及肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等大角度活動。此外，SI&EP傳感器還可準(zhǔn)確檢測運動的頻率與強度，并監(jiān)測運動前后關(guān)鍵生理指標(biāo)（如心率、呼吸頻率）的變化，對日常鍛煉和專業(yè)運動員訓(xùn)練具有重要指導(dǎo)意義。研究團隊還結(jié)合一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D-CNN），實現(xiàn)了對14種不同發(fā)音與手寫動作的高精度識別，識別準(zhǔn)確率達(dá)到94.6%，展現(xiàn)出該傳感器在人機交互與智能感知領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

四、研究內(nèi)容

圖1.SI&EP傳感器的設(shè)計原理，及傳感器在運動指導(dǎo)和機器學(xué)習(xí)輔助活動識別中的應(yīng)用。

為同時實現(xiàn)高靈敏度與寬傳感范圍，研究團隊創(chuàng)新性地提出了協(xié)同離子-電子通路（SI&EP）傳感器設(shè)計（圖1a-d）。該傳感器采用雙層結(jié)構(gòu)：電子傳感層在應(yīng)變下產(chǎn)生微裂紋（圖1b），通過破壞導(dǎo)電通路實現(xiàn)高靈敏度響應(yīng)；而離子傳感層則依賴應(yīng)變引起的幾何尺寸變化實現(xiàn)信號傳導(dǎo)（圖1a），具備更寬的傳感范圍，但靈敏度較低。

在協(xié)同工作機制中，電子層憑借其褶皺-裂紋結(jié)構(gòu)，在低應(yīng)變區(qū)間主導(dǎo)信號傳導(dǎo)，實現(xiàn)高精度感知；當(dāng)應(yīng)變增大至電子通路斷裂時，高延展性的離子層能夠無縫接管信號傳導(dǎo)，從而將傳感器的有效工作范圍拓展至200%（圖1d）。這一設(shè)計巧妙融合了兩層材料的優(yōu)勢，突破了傳統(tǒng)傳感器在靈敏度與量程之間的權(quán)衡限制。

圖2. SI&EP應(yīng)變傳感器的制備流程以及離子傳感層的結(jié)構(gòu)、性能表征

SI&EP傳感器的離子傳感層由PVC、DBA和離子液體構(gòu)成，三者通過分子間相互作用形成穩(wěn)定的物理-化學(xué)網(wǎng)絡(luò)（圖2b），使其具備優(yōu)異的彈性與拉伸性（圖2c）。該層的力學(xué)性能（如彈性模量）和電學(xué)性能（如靈敏度和電導(dǎo)率）可通過調(diào)整PVC與DBA的質(zhì)量比進(jìn)行調(diào)控。隨著DBA比例增加，靈敏度（以應(yīng)變因子GF衡量）得以提升，但過高的DBA會損害拉伸性（圖2d）。為兼顧寬傳感范圍與適度靈敏度，最終選擇PVC:DBA= 1:5的配比來制備離子傳感層（圖2e-f）。

圖3. 電子傳感層的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能調(diào)控和傳感原理表征。

為解決離子層靈敏度不足的問題，研究團隊開發(fā)了具有褶皺-裂紋復(fù)合結(jié)構(gòu)的電子傳感層。首先通過預(yù)拉伸基底在其表面引入可控的褶皺結(jié)構(gòu)以擴展工作范圍（圖3a-d）；隨后施加200%的引導(dǎo)應(yīng)變，誘導(dǎo)微裂紋生成，從而賦予其高靈敏度（圖3e-h）。

該褶皺-裂紋結(jié)構(gòu)使電子層在受力時，裂紋會隨應(yīng)變增大而擴展，導(dǎo)致導(dǎo)電通路破壞與電阻急劇上升，實現(xiàn)高靈敏響應(yīng)；而褶皺結(jié)構(gòu)的存在，則有效延緩了導(dǎo)電通路的完全斷裂，從而在提升靈敏度的同時兼顧了更寬的工作范圍。

圖4. 離子傳感層與電子傳感層的協(xié)同機理和SI&EP應(yīng)變傳感器的綜合性能。

為了兼顧高靈敏度與寬傳感范圍，開發(fā)了基于協(xié)同離子-電子通路（SI&EP）的創(chuàng)新傳感器構(gòu)型。該設(shè)計充分利用兩層間顯著的阻抗差異（圖b）與不同傳感機制（圖c-d）：低應(yīng)變時，電流主要流經(jīng)低阻抗的電子層，其微裂紋擴展帶來高靈敏度響應(yīng)（0–20%應(yīng)變區(qū)間GF=211.8，20–24.3%區(qū)間GF=5805.3）；當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增大導(dǎo)致電子通路斷裂后，高拉伸性的離子層自動接管信號傳導(dǎo)，將工作范圍拓展至200%，實現(xiàn)了高靈敏度與寬傳感范圍的有效融合（圖f）。

圖5.SI&EP應(yīng)變傳感器用于生理信號檢測和運動指導(dǎo)。

SI&EP傳感器可貼附于人體多個部位（如指關(guān)節(jié)、手腕、肘部與膝蓋），實現(xiàn)對全方位人體活動的有效監(jiān)測。憑借高靈敏度，該傳感器還可準(zhǔn)確檢測細(xì)微的脈搏波及呼吸信號。如圖5(a-d)所示，它能清晰分辨脈搏波形中的舒張波（D）、潮波（T）與叩擊波（P），并可通過胸帶監(jiān)測呼吸過程中胸腔的收縮與擴張。此外，由于自己的寬傳感范圍，還可以同步監(jiān)測了俯臥撐運動時肘關(guān)節(jié)的變化（圖5e）。通過實時監(jiān)測運動強度（次數(shù)與頻率）、持續(xù)時間及運動前后生理參數(shù)（圖5g-j），有助于使用者科學(xué)掌握自身狀態(tài)，合理調(diào)整訓(xùn)練負(fù)荷，有效避免盲目運動或過度訓(xùn)練帶來的健康風(fēng)險。

圖6. 1D-CNN輔助的發(fā)音和關(guān)節(jié)運動識別，具有94.6%高準(zhǔn)確率。

SI&EP傳感器結(jié)合一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D-CNN），實現(xiàn)了對細(xì)微發(fā)音與大幅度關(guān)節(jié)動作的高精度識別（圖6a-d）。該傳感器可同步捕捉喉部發(fā)音的微弱振動與手寫字母時關(guān)節(jié)的大幅度運動，通過信號特征差異構(gòu)建識別基礎(chǔ)。

對于7類發(fā)音與7類手寫動作，經(jīng)1D-CNN模型訓(xùn)練后，發(fā)音識別準(zhǔn)確率達(dá)92.1%（圖6e），手寫動作識別準(zhǔn)確率達(dá)97.9%（圖6f）。最終，模型對14種復(fù)合活動的整體識別準(zhǔn)確率高達(dá)94.6%（圖6h），t-SNE可視化分析進(jìn)一步驗證了模型對不同活動特征的區(qū)分能力（圖6g）。充分展現(xiàn)了SI&EP傳感器在智能人機交互與全方位生理信號識別領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

來源：微機電系統(tǒng)與智能傳感創(chuàng)新團隊