一、研究介紹

近日，四川大學機械工程學院MEMS團隊在柔性可穿戴傳感器件領域取得重要進展，提出了一種基于離子-電子傳輸通道協(xié)同機制的應變傳感器，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王竹卿教授、吳曉東研究員。

二、研究背景

可穿戴柔性應變傳感器在健康監(jiān)測、運動指導及人機交互等領域具有關鍵作用。靈敏度和傳感范圍是應變傳感器的兩個關鍵參數(shù)。高靈敏度有利于采集脈搏、發(fā)音等細微生理信號，寬傳感范圍則用于監(jiān)測大幅度的關節(jié)運動。然而，傳統(tǒng)應變傳感器長期面臨“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)下產生微裂紋，從而實現(xiàn)了高靈敏度。然而，大應變下導電通路完全斷裂，導致傳感范圍窄；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)，四川大學機械工程學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-裂紋結構，在低應變條件下通過裂紋擴展實現(xiàn)高靈敏度，能夠精準捕捉細微的生理信號；離子傳感層（PVC/DBA/[EMIM][TFSI]）則憑借其內部穩(wěn)定的物理-化學網絡，具備高達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（電子層阻抗遠低于離子層）以及各自獨特的傳感機制，傳感器在低應變時主要由電子層主導，提供高靈敏響應；而在大應變導致電子通路斷裂后，離子層能夠無縫接管信號傳導，從而實現(xiàn)了傳感范圍的極大拓展。SI&EP應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%應變區(qū)間的應變因子（GF）高達211.8，而在20–24.3%應變區(qū)間內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，該傳感器能夠實現(xiàn)從微弱生理信號到大幅度關節(jié)運動的全范圍監(jiān)測，包括手腕脈搏的細微特征（如舒張波D、潮波T、叩擊波P）、發(fā)音振動、呼吸變化，以及肘關節(jié)、膝關節(jié)等大角度活動。此外，SI&EP傳感器還可準確檢測運動的頻率與強度，并監(jiān)測運動前后關鍵生理指標（如心率、呼吸頻率）的變化，對日常鍛煉和專業(yè)運動員訓練具有重要指導意義。研究團隊還結合一維卷積神經網絡（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，識別準確率達到94.6%，展現(xiàn)出該傳感器在人機交互與智能感知領域的應用潛力。

四、研究內容

圖1.SI&EP傳感器的設計原理，及傳感器在運動指導和機器學習輔助活動識別中的應用。

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）傳感器設計（圖1a-d）。該傳感器采用雙層結構：電子傳感層在應變下產生微裂紋（圖1b），通過破壞導電通路實現(xiàn)高靈敏度響應；而離子傳感層則依賴應變引起的幾何尺寸變化實現(xiàn)信號傳導（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-裂紋結構，在低應變區(qū)間主導信號傳導，實現(xiàn)高精度感知；當應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，從而將傳感器的有效工作范圍拓展至200%（圖1d）。這一設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衡限制。

圖2. SI&EP應變傳感器的制備流程以及離子傳感層的結構、性能表征

SI&EP傳感器的離子傳感層由PVC、DBA和離子液體構成，三者通過分子間相互作用形成穩(wěn)定的物理-化學網絡（圖2b），使其具備優(yōu)異的彈性與拉伸性（圖2c）。該層的力學性能（如彈性模量）和電學性能（如靈敏度和電導率）可通過調整PVC與DBA的質量比進行調控。隨著DBA比例增加，靈敏度（以應變因子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構設計、性能調控和傳感原理表征。

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-裂紋復合結構的電子傳感層。首先通過預拉伸基底在其表面引入可控的褶皺結構以擴展工作范圍（圖3a-d）；隨后施加200%的引導應變，誘導微裂紋生成，從而賦予其高靈敏度（圖3e-h）。

該褶皺-裂紋結構使電子層在受力時，裂紋會隨應變增大而擴展，導致導電通路破壞與電阻急劇上升，實現(xiàn)高靈敏響應；而褶皺結構的存在，則有效延緩了導電通路的完全斷裂，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)新傳感器構型。該設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）：低應變時，電流主要流經低阻抗的電子層，其微裂紋擴展帶來高靈敏度響應（0–20%應變區(qū)間GF=211.8，20–24.3%區(qū)間GF=5805.3）；當應變繼續(xù)增大導致電子通路斷裂后，高拉伸性的離子層自動接管信號傳導，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應變傳感器用于生理信號檢測和運動指導。

SI&EP傳感器可貼附于人體多個部位（如指關節(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，該傳感器還可準確檢測細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），有助于使用者科學掌握自身狀態(tài)，合理調整訓練負荷，有效避免盲目運動或過度訓練帶來的健康風險。

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

SI&EP傳感器結合一維卷積神經網絡（1D-CNN），實現(xiàn)了對細微發(fā)音與大幅度關節(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節(jié)的大幅度運動，通過信號特征差異構建識別基礎。

對于7類發(fā)音與7類手寫動作，經1D-CNN模型訓練后，發(fā)音識別準確率達92.1%（圖6e），手寫動作識別準確率達97.9%（圖6f）。最終，模型對14種復合活動的整體識別準確率高達94.6%（圖6h），t-SNE可視化分析進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域的應用潛力。

來源：微機電系統(tǒng)與智能傳感創(chuàng)新團隊