清華大學任天令教授團隊《ACS Nano》、《Chemical Engineering Journal》：結構調控應變傳感器靈敏度

近日，清華大學集成電路學院任天令教授團隊在柔性電子領域發表兩篇重要成果。

1、通過局部電學和力學性質耦合實現應變傳感器的靈敏度可編程篩選

柔性應變（應力）傳感器因其可以響應機械形變并將其轉換為電信號來模擬人類皮膚的感覺功能，在個性化的健康監測和人體運動感知等柔性電子領域具有廣闊的應用前景。然而，應變傳感器的靈敏度（即應變系數，gauge factor）和拉伸性之間存在典型的相互制約。因為高靈敏度要求微小應變下發生快速的導電通路失效，而寬的傳感范圍則要求器件在大應變區域保持導電通路的完整性。因此，開發個性化應變傳感器的定制化技術至關重要。

為此，清華大學的任天令教授團隊結合二維異質電阻網絡設計和應變工程技術，提出了一種可拉伸異質應變傳感器定制化策略(LCoup strain sensor)，并從理論和模型兩方面對其機理進行了全面的探討。相關研究以題為“Programmable Sensitivity Screening of Strain Sensors by Local Electrical and Mechanical Properties Coupling”發表在國際頂級期刊《ACS Nano》（IF: 15.881）上。

為了對這種新的定制化策略有一個定性的理解，本文通過圖1中二維的示意圖對電氣-機械性能異質型傳感器和傳統的均勻型傳感器進行了建模和對比。首先，激光編程后的區域會表現出更高的應變靈敏度和更低的模量，由此在programmed regions引入局部的electrical heterogeneity (電異質性)和mechanical heterogeneity (機械異質性)。當傳感器中沒有programmed regions時，外加應變簡單地，均勻地分布于整個平面。對于具有programmed regions的LCoup sensor, 異質型傳感器在拉伸下會將應變集中在靈敏度更高的區域并提供顯著增強的傳感性能，這是通過電氣-機械性能局域性耦合和二維電阻網絡異質化的協同作用實現的。

圖1所提出的基于電氣-機械性能局域性耦合LCoup sensor設計策略

本文通過改變激光編程工藝中的工藝參數制備出不同連接（low-connection, middle-connection and high-connection）的襯底結構。如圖2所示，相對于high-connection P0，P1和P2器件，low-connection P3器件的楊氏模量和斷裂伸長度出現了更明顯的下降的，其中最低模量1.30 MPa出現在激光功率為P3-46 mW cm^-2時。同時，P3器件在相同應變下的電阻變化最大，但拉伸性減小到317%，這是因為P3器件襯底結構的嚴重破壞導致的有效導電通路的減少。

圖2 LCoup sensor的機械-電氣特性

通過優化激光編程技術的工藝參數，LCoup sensor實現了橫跨兩個數量級的靈敏度增強和定制（from 7.8 to 266.6）。同時，基于電紡纖維襯底的LCoup sensor可以輕松的應用在可變形表面上進行應變傳感，目前已用于實現人體不規則快速運動的精確捕捉和手勢識別。這種對材料特性進行多尺度設計的策略獨立于導電材料和襯底材料的使用，可以輕松地拓展到其他的可拉伸器件和柔性系統的設計。

圖3 結合二維異質電阻網絡設計和應變工程技術定制化策略的工作機制和總體性能

2、具有應變感應能力的高可拉伸和貼合性的電磁干擾屏蔽護甲

隨著無線通信技術（如5G）的發展，快速的信息傳輸給我們的生活帶來了許多便利。但同時也會產生大量的電磁輻射污染，干擾精密電子設備的穩定運行，甚至危害人體健康。研究表明，孕婦長期暴露于電磁輻射下可能會給兒童帶來行為和認知方面的缺陷。孕期內受到電磁輻射可引起神經和心臟組織的病理學變化以及DNA氧化應激等。因此，有必要使用可穿戴式電磁屏蔽設備對孕婦進行電磁防護，這對胎兒的健康發育和后天生長具有重要意義。

可穿戴電子設備需要輕質且可拉伸的電磁干擾屏蔽材料。清華大學任天令教授課題組報道了一種由疊層石墨烯薄膜和多孔石墨烯泡沫組成的三明治型的石墨烯護甲，用于人體電磁干擾屏蔽和運動監測。課題組使用激光誘導工藝在室溫氛圍下一步制備出具有微米級（~ 2 μm）層間距的疊層石墨烯薄膜。得益于豐富的界面和優異導電性，19.4 μm疊層石墨烯薄膜展現出36.3 dB 的電磁干擾屏蔽效率。構筑三明治型石墨烯微結構之后，厚度約為 2 mm 的三明治型石墨烯護甲表現出高達 69.8 dB 的電磁屏蔽效能，而其密度僅為0.228 g/cm³。此外，石墨烯護甲具有優異的力學性能和可拉伸性，其拉伸應變范圍可達到100%，作為應變傳感器時，其應變系數（GF）可達到258，因此石墨烯護甲在保護人體關節的同時可用于運動監測。相關成果以題為“Highly stretchable and conformal electromagnetic interference shielding armor with strain sensing ability”發表在國際頂級期刊《Chemical Engineering Journal》(IF: 13.273 )上。

多孔石墨烯泡沫與疊層石墨烯薄膜相結合，以構建用于人體電磁防護和運動監測的三明治型石墨烯護甲。不需要高溫和逐層堆疊的情況下，在環境氣氛中，利用激光誘導工藝從GO一步即可制備具有微米級層間間距的疊層石墨烯。在還原過程中，控制氣體的產生以分離石墨烯片以獲得具有微米級層間距的疊層石墨烯薄膜。此外，由于純石墨烯泡沫的拉伸性能較差，因此利用具有優異柔韌性和拉伸性的聚合丁苯橡膠（SBR）作為骨架形成 SBR/石墨烯復合材料。得益于疊層石墨烯薄膜中豐富的界面和石墨烯泡沫中的多孔網絡，三明治型石墨烯護甲在 8.2-12.4 GHz 的頻率范圍內表現出出色的電磁干擾屏蔽性能。? 為了避免更多的反射，制備過程中使得疊層石墨烯薄膜和多孔石墨烯泡沫之間的界面具有良好阻抗匹配。約2 mm石墨烯護甲的電磁干擾屏蔽性能達到 60 dB 以上，與純多孔石墨烯泡沫相比增加了12 dB，且主要表現為吸收增加而不是反射增加。此外，隨著三明治型石墨烯護甲厚度的增加，其電磁屏蔽性能顯著提升。

除了顯著增強電磁屏蔽性能外，三明治結構能有效提高多孔石墨烯泡沫的應變傳感能力。由于純石墨烯的拉伸性能較差，SBR 的高拉伸性和優異的機械強度框架為三明治型石墨烯護甲提供了作為應變傳感器的適當靈敏度、穩定性和可靠性。SBR 泡沫在 50% 應變下的應力分布表明，其可以通過橫向和縱向變形有效地分散應力，避免應力集中。此外，疊層石墨烯薄膜的有限元模擬表明，當拉伸應變超過 6% 時，層狀石墨烯內部會出現裂紋。因此，當三明治型石墨烯護甲拉伸后，多孔石墨烯泡沫可以完全適應拉伸變形，導致不可拉伸的疊層石墨烯薄膜出現裂紋。由于疊層石墨烯薄膜牢固地嵌入多孔石墨烯泡沫的凹凸表面，因此，當三明治型石墨烯護甲發生拉伸應變時，疊層石墨烯薄膜的裂紋將隨多孔石墨烯泡沫一起移動而不會發生脫落。隨著拉伸應變的增加，裂紋間距增大，導致傳感器電阻迅速增加，可為石墨烯泡沫應變傳感器帶來優異的響應靈敏度。同時，三明治型石墨烯護甲具有優異的拉伸和壓縮穩定性，拉伸應變范圍可達到100%。

具有高可拉伸性和貼合性的輕質石墨烯護甲可有效確保人體電磁防護時的舒適性。由于應變范圍廣，應變系數高，石墨烯護甲具有監測人體運動狀態的能力，在保護膝蓋等人體關節的同時，其可以作為應變傳感器對人運動進行監測。傳感器固定在喉嚨上，可以通過監測喉嚨肌肉的細微信號來識別發聲。此外，通過將傳感器固定在手腕橈動脈上，可以監測脈搏波。單個手腕脈搏的放大圖像表現出三個獨特的特征峰，分別為P、T和D波。此外，三明治型石墨烯護甲可在保護腿部、肘部、手指、手腕等人體關鍵部位的同時，可有效監測此部位的彎曲狀態，以及可以作為貼在腳后跟上的壓力傳感器來監測行走狀態。因此，三明治型石墨烯護甲具有高靈敏度、穩定性和線性度，在機器人運動的精確控制和輔助專業運動員運動方面具有巨大的應用潛力。

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