弹性敏感材料与传感器件

李法利^1,2,3，李晟斌^1,3,4，曹晋玮^1,3，刘宜伟^1,2,3，尚杰^1,2,3，李润伟^1,2,3,4

1. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所&中科院磁性材料与器件重点实验室2. 中国科学院大学材料科学与光电技术学院3. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所&浙江省磁性材料及应用技术重点实验室4. 中国科学院大学未来技术学院

摘 要：柔性电子技术是21世纪的十大新兴科技之一,正在引发新一轮电子技术革命。近年来,人们研发了一系列柔性甚至可拉伸的电子器件,此类器件具有柔韧、抗冲击、高效/低成本制造等优势,在可穿戴或可植入领域具有很好的应用前景。其中,弹性传感器件是信息获取的关键,在人机交互、运动/医疗健康等领域展示着重要的应用前景,而敏感材料、结构及器件设计是弹性传感器的关键。由于大部分敏感材料是刚性的,其拉伸性能无法满足弹性传感器的要求,因此,弹性传感器的核心挑战之一在于敏感材料的弹性化、多功能化。兼容弹性和功能性的传感器是人们目前关注的焦点。在材料的弹性/可拉伸能力方面,通过有效的结构设计可以使得金属薄膜适应更复杂的力学场景,例如将单轴褶皱改为多轴复杂褶皱;通过优化纳米材料的形貌/结构,可以获得能承受更大形变的复合材料,例如提高纳米线的长度以获得更加复杂稳定的导电网络;通过使用液态金属等本征可拉伸导电材料实现复合材料的高电导和任意拉伸性能。在材料/器件的多功能方面,人们也不断尝试使用多种敏感材料来探测力学、温度、磁场、湿度等多种信号。通过使用磁性敏感材料与高分子基体复合实现对磁场的探测;通过使用热致变色材料在高分子基体表面构建热致变色薄膜可以实现对温度的探测;使用弹性电极制备弹性微流道实现对汗液成分的分析。进一步在弹性系统的层面,研究人员将多种器件集成多功能系统以实现多种信号的感知,并结合仿生策略进一步将这些信号处理成人体神经可识别的信号,实现智能、高效的人机交互体验。本文归纳了弹性传感材料和器件的研究进展,分别对导电敏感材料、可穿戴器件及其应用场景进行了介绍。通过分析弹性传感器件的发展历程和目前所面临的挑战,希望能使研究者们有一定启发,并对弹性电子器件的未来进行展望,为实现更加灵敏、智能、低成本和用户友好型传感器件提供参考。

关键词：弹性电子器件;柔性传感器;导电敏感材料;可穿戴器件;