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作者：南山
傳感器就是能夠檢測事件或環(huán)境等變化（如光，溫度和聲音）的設(shè)備，已經(jīng)在我們的日常生活中廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)今，科研人員正努力開發(fā)新型傳感器以滿足下一代電子設(shè)備工作所需的生理和環(huán)境數(shù)據(jù)。其中，應(yīng)變傳感器可以檢測重量，壓力，扭矩，張力和剪切力的變化，可用于實(shí)現(xiàn)檢測人體運(yùn)動(dòng)，軟體機(jī)器人，和仿生假肢等方面。新型的應(yīng)變傳感器除了需要具備高靈敏度，良好的線性度和快速響應(yīng)之外，還需要高拉伸性，柔韌性以及良好的耐用性。
傳統(tǒng)的基于半導(dǎo)體工藝的應(yīng)變傳感器難以適應(yīng)高應(yīng)變場合，例如彎曲，折疊和扭曲等環(huán)境。為了開發(fā)符合特定場合的高性能的應(yīng)變傳感器，目前的研究主要集中在彈性體，紙， 聚合物，以及金屬等材質(zhì)作為傳感器的基板或基質(zhì)。主要方案就是將半導(dǎo)體材料與金屬基板的集成，或?qū)?dǎo)電填料添加到基質(zhì)材料中。由于對(duì)監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)的巨大需求，通過將導(dǎo)電填料加載到彈性體基質(zhì)中來開發(fā)可拉伸和柔性的應(yīng)變傳感器。通過這種方式制備的柔性傳感器的機(jī)械性能與人體器官相當(dāng)，因此可以用于可穿戴和可植入等設(shè)備。
柔性應(yīng)變傳感器是通過檢測不同的應(yīng)力的變化下，彈性基質(zhì)材料的電阻，電容，或介電常數(shù)隨著而產(chǎn)生的變化數(shù)值。因此，彈性基質(zhì)的機(jī)械性能在決定應(yīng)變傳感器的性能上起著至關(guān)重要的作用。市售的彈性體如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和Ecoflex已被廣泛用作可拉伸的基質(zhì); 然而受限于材料特質(zhì)，無法實(shí)現(xiàn)高靈敏度和拉伸性。例如，PDMS的高模量（≈1-3MPa ）和低拉伸性（≈200 ％）使得器件的適用性非常有限。盡管Ecoflex具有較高的拉伸性能，該材料制造應(yīng)變傳感器需要多步驟工藝，包括高溫下的化學(xué)氣相沉積以及長的固化時(shí)間。[因此，通過簡單易行的工藝開發(fā)具有高靈敏度和拉伸性的應(yīng)變傳感器材料仍然是一個(gè)尚未解決的挑戰(zhàn)。
近期，韓國釜山大學(xué)的研究者們使用柔性水凝膠纖維作為傳感器的矩陣，開發(fā)了高拉伸度和高靈敏性的應(yīng)變傳感器。水凝膠由交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)和大量水組成，因而和生物體具有良好的相容性，非常適用于可穿戴或可植入設(shè)備。傳統(tǒng)的水凝膠難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的拉伸，因此不能用于制造可拉伸的應(yīng)變傳感器。韓國的研究人員通過制備雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠結(jié)構(gòu)，將脆性的第一網(wǎng)絡(luò)和具有拉伸性能第二網(wǎng)絡(luò)組合，以增強(qiáng)基質(zhì)的強(qiáng)度和韌性。此外，DN水凝膠的可拉伸應(yīng)變傳感器可以使用微流體裝置以微纖維的形式制造。通過簡單的工藝可以輕易地生產(chǎn)出米長的微纖維，然后將它們切割成最終應(yīng)用的優(yōu)化長度。將微纖維組裝成為應(yīng)變傳感器，測試結(jié)果表明了具有高拉伸性和高靈敏度，以及長期的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖1.a）用于制備具有由同軸排列的玻璃毛細(xì)管組成的微流體裝置的DN水凝膠微纖維的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。 DN微纖維分兩步制備。步驟1：通過離子交聯(lián)將鈣離子擴(kuò)散到藻酸鈉中以形成Ca-ALG模板。步驟2：單體通過光聚合交聯(lián)。 b）制備的DN微纖維導(dǎo)線的照片和顯微鏡放大圖。
圖1 說明了使用由同軸排列的玻璃毛細(xì)管組成的微流體裝置制備可拉伸導(dǎo)電微纖維的方案。首先，配置水性預(yù)膠溶液，將丙烯酰胺（溶液AAM），海藻酸鈉（NA- ALG），交聯(lián)劑和導(dǎo)電聚合物PEDOT：PSS混合均勻?yàn)槿芤骸EDOT：PSS 是由離子相互作用形成的PEDOT和PSS的聚合物共混物; 由于其高穩(wěn)定性，在水溶液中的可加工性和高導(dǎo)電性。然后將AAM的光引發(fā)劑加入到預(yù)膠溶液中，并將所得溶液注入內(nèi)毛細(xì)管中，同時(shí)將氯化鈣溶液注入外毛細(xì)管中。兩種溶液在同軸排列的毛細(xì)管的連接處結(jié)合，其中鈣離子擴(kuò)散到從內(nèi)毛細(xì)管流出的單體溶液中。此時(shí)，藻酸鹽骨架和鈣離子之間的離子橋快速形成，產(chǎn)生交聯(lián)的藻酸鈣（Ca-Alg）纖維形式的模板（圖1a中的步驟1）。由于鈣離子和藻酸鹽骨架之間的離子交聯(lián)，所形成的微纖維可在流動(dòng)期間保持其形狀。在圖1a的步驟2中，在流動(dòng)期間UV光照射在形成的微纖維上以引發(fā)AAm和BisAA之間的自由基交聯(lián)。最后，含有海藻酸鈣和交聯(lián)PAAm的 DN水凝膠通過微流體制造獲得微纖維。聚合后，將制備的水凝膠微纖維浸入乙二醇（EG）中。研究表明EG用作溶脹介質(zhì)可以防止水凝膠微纖維的干燥并且通過重新排序效果增強(qiáng)PEDOT：PSS的導(dǎo)電性。如圖1b所示，制備的聚合物微纖維長且連續(xù)，具有均勻的直徑。每個(gè)微纖維的總長度約為50厘米。由于微纖維的制造過程是連續(xù)的，因此通過增加單體溶液的體積，可以通過所開發(fā)的方法制備幾米長的微纖維。
圖2. a）PAAm，Ca-Alg，PEDOT：PSS和微纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。 PAAm與BisAA共價(jià)交聯(lián)，Ca-Alg通過離子鍵形成，PEDOT：PSS鏈緊密堆積在DN中;在拉伸和恢復(fù)狀態(tài)下的DN微纖維發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。 b）處于恢復(fù)狀態(tài)下和300％伸長率的微纖維照片。 c）PAAm / Ca-Alg / PEDOT以及DN微纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
圖3. a）處于正常和伸長狀的DN微纖維作為導(dǎo)線用于點(diǎn)亮LED燈泡。 b）不同含量PEDOT：PSS在DN微纖維的拉伸-電阻變化曲線。 c）以5％拉伸伸長率為檢測標(biāo)準(zhǔn)，測試?yán)鞝顟B(tài)下的電阻響應(yīng)時(shí)間。 d）不同拉伸狀態(tài)下的PEDOT：PSS域的變化的結(jié)構(gòu)模型。 e）DN微纖維線在從0.1％至10％的不同拉伸情況下的電阻變化示意圖。 f）DN微纖維中在10000次伸長率下的電阻變化情況。
圖4. a）由DN微纖維電極，銅線和彈性帶組成的應(yīng)變傳感器的照片。 b）照片顯示DN微纖維的應(yīng)變變化，取決于食指的彎曲狀態(tài)和彎曲程度。 c）通過彎曲食指引起的DN微纖維伸長率的電阻變化。 d）DN微纖維的拉伸變化取決于在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)時(shí)膝蓋的彎曲。 e）通過以各種跑步機(jī)速度連接到膝蓋的DN微纖維來確定步幅。 f）照片顯示在竹子植物的莖上安裝DN微纖維以監(jiān)測其生長。 g）通過制造的應(yīng)變傳感器測量的竹子的生長及其衍生曲線，顯示生長速率相對(duì)于明暗條件的變化。
參考資料：
Dowan Kim，Suk‐Kyun Ahn，Jinhwan Yoon. HighlyStretchable Strain Sensors Comprising Double Network Hydrogels Fabricated byMicrofluidic Devices. Adv. Mater. Technol. 2019, 1800739。
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