清华大学任天令教授团队ACS Nano、Chemical Engineering Journal：结构调控应变传感器灵敏度
纳米人
2021-12-16
近日，清华大学集成电路学院任天令教授团队在柔性电子领域发表两篇重要成果。1. 通过局部电学和力学性质耦合实现应变传感器的灵敏度可编程筛选柔性应变（应力）传感器因其可以响应机械形变并将其转换为电信号来模拟人类皮肤的感觉功能，在个性化的健康监测和人体运动感知等柔性电子领域具有广阔的应用前景。然而，应变传感器的灵敏度（即应变系数，gauge factor）和拉伸性之间存在典型的相互制约。因为高灵敏度要求微小应变下发生快速的导电通路失效，而宽的传感范围则要求器件在大应变区域保持导电通路的完整性。因此，开发个性化应变传感器的定制化技术至关重要。为此，清华大学的任天令教授团队结合二维异质电阻网络设计和应变工程技术，提出了一种可拉伸异质应变传感器定制化策略(LCoup strain sensor)，并从理论和模型两方面对其机理进行了全面的探讨。相关研究以题为“Programmable Sensitivity Screening of Strain Sensors by Local Electrical and Mechanical Properties Coupling”发表在国际顶级期刊《ACS Nano》（IF: 15.881）上。清华大学集成电路学院硕士生谭希超为论文第一作者，清华大学任天令教授、杨轶副教授为论文共同通信作者。为了对这种新的定制化策略有一个定性的理解，本文通过图1中二维的示意图对电气-机械性能异质型传感器和传统的均匀型传感器进行了建模和对比。首先，激光编程后的区域会表现出更高的应变灵敏度和更低的模量，由此在programmed regions引入局部的electrical heterogeneity (电异质性)和mechanical heterogeneity (机械异质性)。当传感器中没有programmed regions时，外加应变简单地，均匀地分布于整个平面。对于具有programmed regions的LCoup sensor, 异质型传感器在拉伸下会将应变集中在灵敏度更高的区域并提供显著增强的传感性能，这是通过电气-机械性能局域性耦合和二维电阻网络异质化的协同作用实现的。图1. 所提出的基于电气-机械性能局域性耦合LCoup sensor设计策略。本文通过改变激光编程工艺中的工艺参数制备出不同连接（low-connection, middle-connection and high-connection）的衬底结构。如图2所示，相对于high-connection P0，P1和P2器件，low-connection P3器件的杨氏模量和断裂伸长度出现了更明显的下降的，其中最低模量1.30 MPa出现在激光功率为P3-46 mW cm-2时。同时，P3器件在相同应变下的电阻变化最大，但拉伸性减小到317%，这是因为P3器件衬底结构的严重破坏导致的有效导电通路的减少。图2. LCoup sensor的机械-电气特性。通过优化激光编程技术的工艺参数，LCoup sensor实现了横跨两个数量级的灵敏度增强和定制（from 7.8 to 266.6）。同时，基于电纺纤维衬底的LCoup sensor可以轻松的应用在可变形表面上进行应变传感，目前已用于实现人体不规则快速运动的精确捕捉和手势识别。这种对材料特性进行多尺度设计的策略独立于导电材料和衬底材料的使用，可以轻松地拓展到其他的可拉伸器件和柔性系统的设计。图3. 结合二维异质电阻网络设计和应变工程技术定制化策略的工作机制和总体性能。Tan X C, Xu J D, Jian J M, et al. Programmable Sensitivity Screening of Strain Sensors by Local Electrical and Mechanical Properties Coupling. ACS nano, 2021.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c092882. 具有应变感应能力的高可拉伸和贴合性的电磁干扰屏蔽护甲随着无线通信技术（如5G）的发展，快速的信息传输给我们的生活带来了许多便利。但同时也会产生大量的电磁辐射污染，干扰精密电子设备的稳定运行，甚至危害人体健康。研究表明，孕妇长期暴露于电磁辐射下可能会给儿童带来行为和认知方面的缺陷。孕期内受到电磁辐射可引起神经和心脏组织的病理学变化以及DNA氧化应激等。因此，有必要使用可穿戴式电磁屏蔽设备对孕妇进行电磁防护，这对胎儿的健康发育和后天生长具有重要意义。可穿戴电子设备需要轻质且可拉伸的电磁干扰屏蔽材料。清华大学任天令教授课题组报道了一种由叠层石墨烯薄膜和多孔石墨烯泡沫组成的三明治型的石墨烯护甲，用于人体电磁干扰屏蔽和运动监测。课题组使用激光诱导工艺在室温氛围下一步制备出具有微米级（~ 2 μm）层间距的叠层石墨烯薄膜。得益于丰富的界面和优异导电性，19.4 μm叠层石墨烯薄膜展现出36.3 dB 的电磁干扰屏蔽效率。构筑三明治型石墨烯微结构之后，厚度约为 2 mm 的三明治型石墨烯护甲表现出高达 69.8 dB 的电磁屏蔽效能，而其密度仅为0.228 g/cm3。此外，石墨烯护甲具有优异的力学性能和可拉伸性，其拉伸应变范围可达到100%，作为应变传感器时，其应变系数（GF）可达到258，因此石墨烯护甲在保护人体关节的同时可用于运动监测。相关成果以题为“Highly stretchable and conformal electromagnetic interference shielding armor with strain sensing ability”发表在国际顶级期刊《Chemical Engineering Journal》(IF: 13.273 )上。清华大学集成电路学院博士研究生徐建东为论文第一作者，清华大学任天令教授、张盛副教授、杨轶副教授、田禾副教授为论文共同通信作者。
多孔石墨烯泡沫与叠层石墨烯薄膜相结合，以构建用于人体电磁防护和运动监测的三明治型石墨烯护甲。不需要高温和逐层堆叠的情况下，在环境气氛中，利用激光诱导工艺从GO一步即可制备具有微米级层间间距的叠层石墨烯。在还原过程中，控制气体的产生以分离石墨烯片以获得具有微米级层间距的叠层石墨烯薄膜。此外，由于纯石墨烯泡沫的拉伸性能较差，因此利用具有优异柔韧性和拉伸性的聚合丁苯橡胶（SBR）作为骨架形成 SBR/石墨烯复合材料。得益于叠层石墨烯薄膜中丰富的界面和石墨烯泡沫中的多孔网络，三明治型石墨烯护甲在 8.2-12.4 GHz 的频率范围内表现出出色的电磁干扰屏蔽性能。 为了避免更多的反射，制备过程中使得叠层石墨烯薄膜和多孔石墨烯泡沫之间的界面具有良好阻抗匹配。约2 mm石墨烯护甲的电磁干扰屏蔽性能达到 60 dB 以上，与纯多孔石墨烯泡沫相比增加了12 dB，且主要表现为吸收增加而不是反射增加。此外，随着三明治型石墨烯护甲厚度的增加，其电磁屏蔽性能显著提升。除了显着增强电磁屏蔽性能外，三明治结构能有效提高多孔石墨烯泡沫的应变传感能力。由于纯石墨烯的拉伸性能较差，SBR 的高拉伸性和优异的机械强度框架为三明治型石墨烯护甲提供了作为应变传感器的适当灵敏度、稳定性和可靠性。SBR 泡沫在 50% 应变下的应力分布表明，其可以通过横向和纵向变形有效地分散应力，避免应力集中。此外，叠层石墨烯薄膜的有限元模拟表明，当拉伸应变超过 6% 时，层状石墨烯内部会出现裂纹。因此，当三明治型石墨烯护甲拉伸后，多孔石墨烯泡沫可以完全适应拉伸变形，导致不可拉伸的叠层石墨烯薄膜出现裂纹。由于叠层石墨烯薄膜牢固地嵌入多孔石墨烯泡沫的凹凸表面，因此，当三明治型石墨烯护甲发生拉伸应变时，叠层石墨烯薄膜的裂纹将随多孔石墨烯泡沫一起移动而不会发生脱落。随着拉伸应变的增加，裂纹间距增大，导致传感器电阻迅速增加，可为石墨烯泡沫应变传感器带来优异的响应灵敏度。同时，三明治型石墨烯护甲具有优异的拉伸和压缩稳定性，拉伸应变范围可达到100%。具有高可拉伸性和贴合性的轻质石墨烯护甲可有效确保人体电磁防护时的舒适性。由于应变范围广，应变系数高，石墨烯护甲具有监测人体运动状态的能力，在保护膝盖等人体关节的同时，其可以作为应变传感器对人运动进行监测。传感器固定在喉咙上，可以通过监测喉咙肌肉的细微信号来识别发声。此外，通过将传感器固定在手腕桡动脉上，可以监测脉搏波。单个手腕脉搏的放大图像表现出三个独特的特征峰，分别为P、T和D波。此外，三明治型石墨烯护甲可在保护腿部、肘部、手指、手腕等人体关键部位的同时，可有效监测此部位的弯曲状态，以及可以作为贴在脚后跟上的压力传感器来监测行走状态。因此，三明治型石墨烯护甲具有高灵敏度、稳定性和线性度，在机器人运动的精确控制和辅助专业运动员运动方面具有巨大的应用潜力。
团队介绍:
任天令教授，清华大学信息科学技术学院副院长，教育部长江学者特聘教授（2012），国家杰出青年基金获得者，清华大学环境与健康传感技术研究中心副主任。近年来，承担国家自然科学重点基金、国家重大科技专项、国家公益性行业科研专项、国家重大仪器专项、国家863计划、国家973计划等多项国家重要科技项目，做出一系列具有重要国际影响的创新学术成果。主要研究方向为智能微纳电子器件、芯片与系统，包括：智能传感器与智能集成系统，二维纳电子器件与芯片，柔性、可穿戴器件与系统，智能信息器件与系统技术等。在国内外重要学术期刊和会议发表论文600余篇，包括Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、ACS Nano等重要SCI期刊论文400余篇，国际微电子领域顶级学术会议IEDM论文11篇；获国内外发明专利70余项。担任IEEE电子器件学会副主席（中国大陆首次）、国际微电子领域顶级学术会议IEDM执委（中国大陆首次）、IEEE电子器件学会教育委员会主席（中国大陆首次）、中国微米纳米技术学会理事、中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术分会常务理事、IEEE电子器件学会Distinguished Lecturer、IEEE EDTM 执委、IEEE Journal of Electron Device Society编委、IEEE Transactions on Nanotechnology 编委和Scientific Reports编委等重要学术任职。
Xu J, Chang H, Zhao B, et al. Highly Stretchable and Conformal Electromagnetic Interference Shielding Armor with Strain Sensing Ability. Chemical Engineering Journal, 2021: 133908.https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133908
