全方位人体运动检测传感器 | ACS Appl. Mat. Interface

    在过去的十年中，人性化的交互电子产品引起了广泛的兴趣，因此被引入各种新技术和新领域。可穿戴电子设备是具有广泛应用的、最具代表性的例子，包括电子皮肤，智能人机交互以及软体机器人。目前尽管已经研发了各种新颖的应变传感器，但是实际上要测量全身人体运动仍然是一个具有挑战性的问题。这是因为全身人体运动不仅包括关节的移动，还包括脉动等皮肤的细微变形，能够测量全身人体运动的传感器需要具有很宽的感应范围（超过100％应变）以及高灵敏度。此外，进一步使传感器实际应用于测量附着的人体运动，除了具有宽的感测范围和高的灵敏度之外，传感器还应具有良好的电特性变化的线性度，高的重现性和快速的响应时间。

    近日，来自韩国浦项科技大学的研究团队报道了一种全方位的可伸缩应变传感器（OPSS传感器），通过在表面设计高密度的纳米微裂纹，使得该传感器可用于在关节水平（屈曲，伸展，外展，内收，内侧旋转和侧向旋转）甚至皮肤水平（振动（搏动），眨眼和呼吸测量）全身人体运动。该成果发表于《ACS Applied Materials &Interfaces》。

图1 材料制备过程及其表面形貌

    将聚氨酯溶液通过纺丝制得聚氨酯薄膜，再通过磁控溅射法在薄膜表面镀上一层铂金Pt膜。对该薄膜进行拉伸即可获得表面具有纳米微裂纹的结构。

图2 传感器的基本力学、光学及传感性能

1. 该传感器具有较宽的测量范围（应变高达150％），高灵敏度（GF≈30），高线性度和短响应时间（<30 ms）。

2. 传感器的制造非常简单，可编程，与IC兼容，并且在可重复性方面可靠。

3. 对于传感器的皮肤附着应用（甚至在面部皮肤上），将其制成厚度约为100μm的杨氏模量为〜2MPa的薄膜。

4. 为了个人卫生，并防止传感器在皮肤可附着的应用中受到污染，传感器可以通过在金属/弹性体基底上自行开裂的简单且批量生产适用的制造工艺制成一次性的，而不需要复杂的纳米材料形成或复杂的光刻过程。

5. 为了将传感器简单直接地连接到目标物体，可以通过一步沉积工艺将多个金属层图案化为所需的形状。

6. 为了美观，传感器具有良好的光学透明度（在可见光范围内透射率约为50％）。

图3 应力加载和卸载过程中对裂纹宽度的影响及传感机理示意图

    在应力加载过程中，随着宽度增加而形成更多的裂缝，传感器的电阻增加。 在卸载过程中，裂缝的数量没有变化，裂缝宽度减小，纳米裂纹传感器的电阻也减小; 随着裂纹宽度的减小，裂纹从薄边开始逐渐闭合，导致Pt层导电路径的增加。

图4 全方位人体运动检测

参考文献：

Jeon, Hyungkook, et al. "Omni-purpose stretchable strain sensor based on a highly dense nanocracking structure for whole-body motion monitoring." ACS applied materials & interfaces (2017).