采用梯度刚度滑动设计的柔性应变传感器

柔性应变传感器克服了传统刚性传感器生物相容性差和线性范围窄的局限，在人工智能（AI）、电子皮肤、健康监测等领域具有重要的应用价值。开发在宽线性范围内具备高灵敏度和高线性度的理想柔性应变传感器，是当前研究的关键课题。柔性应变传感器根据工作原理一般分为压电式、电阻式和电容式三类。与电阻式柔性应变传感器相比，电容式柔性应变传感器具有线性优势，但其受到灵敏度低的限制。因此，亟需打破电容式柔性应变传感器灵敏度低的限制，以满足人们对宽线性范围和高灵敏度的需求。

据麦姆斯咨询报道，近期，哈尔滨工业大学赫晓东教授、彭庆宇教授团队和四川大学张新星教授等研究人员提出一种梯度刚度滑动（GSS）设计策略，有效解决了这一难题，通过控制局部增强电场的分布以及衬底的非均匀变形，成功制备了性能优异的电容式柔性应变传感器。该传感器在超宽线性范围内具有极高的灵敏度（9.1 × 10⁶）和线性度（R² = 0.9997），几乎无迟滞且响应时间快（17 ms）。这种梯度刚度滑动设计策略还可以应用于其它类型柔性传感器的设计，以实现超高灵敏度和线性度的双重目标。相关研究成果以“Ultra-sensitive, highly linear, and hysteresis-free strain sensors enabled by gradient stiffness sliding strategy”为题发表在npj Flexible Electronics期刊上。

在这项研究工作中，研究人员从结构设计的角度出发，提出了一种电容式柔性应变传感器的设计策略——“梯度刚度滑动”方法，从根本上突破了最高灵敏度为1的理论极限。通过在离子层/电极界面上形成双电层（EDL），并控制局部增强电场的分布和衬底的非均匀变形，成功制备出性能优异的电容式柔性应变传感器。

图1 梯度刚度滑动设计策略的原理

测试结果表明，采用梯度刚度滑动设计策略的电容式柔性应变传感器，在超宽线性范围内展现出极高的灵敏度（9.1 × 10⁶）。更为关键的是，该传感器的电信号在整个线性范围内保持了极高的度线性（R² = 0.9997）。在施加应变之前，离子层/电极界面的接触面积相对较小，双电层形成较少，初始电容C₀仅为几pF。随着应变的增加，梯度刚度层中较软的部分开始变形和伸长，电极与离子层之间的接触面积显著增加，双电层电容大幅提升（接近µF），从而展现出极高的灵敏度。

图2 采用梯度刚度滑动设计的电容式柔性应变传感器的传感性能

相较于电阻式柔性应变传感器，该研究提出的电容式柔性应变传感器在拉伸到0.5%应变时的动态响应时间极短，仅为17 ms，检测限（LOD）低至0.003%。该传感器对应变速率的灵敏度也很低，在0.25、0.5和1 mm·s⁻¹拉伸速率下，电容变化保持恒定，为7.2 µF（ε = 30%）。

在实际应用中，电信号的线性度至关重要。采用梯度刚度滑动设计的柔性应变传感器在整个测量范围内达到了近乎理想的线性度（R² = 0.9997），完全能够满足实际使用需求。值得一提的是，由于这种线性特性是通过结构设计而非活性材料设计实现的，因此具有极佳的稳定性，即使在复杂的拉伸条件下，电信号也能保持线性一致。

图3 电容式柔性应变传感器出色的线性度和灵敏度

采用梯度刚度滑动设计的电容式柔性应变传感器能够在实际应用中准确监测各种人体信号，包括细微的表情变化到大幅度的手臂和膝盖弯曲。此外，该传感器还能稳定且准确地监测日常生活中各种频率的动作，包括快速摇晃咖啡和慢速炒菜等。值得一提的是，利用透明电极还可以进一步制备透明柔性应变传感器，从而满足一些特定应用场景的需求。

图4 采用梯度刚度滑动设计实现超灵敏、高线性度且无迟滞的电容式柔性应变传感器

综上所述，这项研究将双电层引入电容式柔性应变传感器的设计中，通过控制局部增强电场的分布以及衬底的非均匀变形来提高器件灵敏度，有效解决了电容式柔性应变传感器灵敏度低的问题，同时确保其在整个线性范围内具有高线性度和无迟滞。采用梯度刚度滑动设计的柔性应变传感器还展现出优异的过伸保护和结构稳定性，具有巨大的应用潜力。此外，梯度刚度滑动方法有望成为一种通用设计策略，应用于其它类型的柔性传感器，为提升柔性传感器性能以及开拓柔性电子技术新领域注入新的活力。

论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-024-00301-7

审核编辑：刘清