一、 研究介绍

近日，四川大学机械工程学院MEMS团队在柔性可穿戴传感器件领域取得重要进展，提出了一种基于离子-电子传输通道协同机制的应变传感器，通过电子传感层与离子传感层之间的阻抗不匹配以及独特的传感机制，有效解决了应变传感器灵敏度和传感范围不可兼得的难题，同时实现了超高灵敏度和宽传感范围。该成果以“Synergistic ionic and electronic transport pathways enabled strain sensors with ultra-high and modulable sensitivity within wide working range”为题，发表于国际知名期刊《Nano research》（川大B刊，IF= 9.0）。论文第一作者是2022级博士生宋洋洋，论文通讯作者为四川大学王竹卿教授、吴晓东研究员。

二、研究背景

可穿戴柔性应变传感器在健康监测、运动指导及人机交互等领域具有关键作用。灵敏度和传感范围是应变传感器的两个关键参数。高灵敏度有利于采集脉搏、发音等细微生理信号，宽传感范围则用于监测大幅度的关节运动。然而，传统应变传感器长期面临“灵敏度-传感范围”难以兼顾的瓶颈。传统电子型传感器以电子作为信号传输载体，传感层再拉伸状态下产生微裂纹，从而实现了高灵敏度。然而，大应变下导电通路完全断裂，导致传感范围窄；新兴的离子型传感器（如水凝胶、离子凝胶传感器）依托离子传输机制，虽具备高拉伸性与宽工作范围，但灵敏度极低（GF通常低于4），对微小形变的检测能力有限。

三、研究思路

针对以上挑战，四川大学机械工程学院王竹卿教授与吴晓东研究员团队，成功开发出一种基于协同离子-电子传输通路（Synergistic Ionic and Electronic Pathways, SI&EP）的应变传感器。该传感器融合了两种不同的传感机制：电子传感层采用褶皱-裂纹结构，在低应变条件下通过裂纹扩展实现高灵敏度，能够精准捕捉细微的生理信号；离子传感层（PVC/DBA/[EMIM][TFSI]）则凭借其内部稳定的物理-化学网络，具备高达200%的拉伸性能，适用于大尺度形变监测。由于两传感层之间存在显著的阻抗差异（电子层阻抗远低于离子层）以及各自独特的传感机制，传感器在低应变时主要由电子层主导，提供高灵敏响应；而在大应变导致电子通路断裂后，离子层能够无缝接管信号传导，从而实现了传感范围的极大拓展。SI&EP应变传感器有效整合了两层材料的性能优势，在“超高灵敏度”与“超宽工作范围”两方面取得突破。实验表明，该传感器在0–20%应变区间的应变因子（GF）高达211.8，而在20–24.3%应变区间内GF更飙升至5805.3，同时其传感范围可延伸至200%。

基于上述性能，该传感器能够实现从微弱生理信号到大幅度关节运动的全范围监测，包括手腕脉搏的细微特征（如舒张波D、潮波T、叩击波P）、发音振动、呼吸变化，以及肘关节、膝关节等大角度活动。此外，SI&EP传感器还可准确检测运动的频率与强度，并监测运动前后关键生理指标（如心率、呼吸频率）的变化，对日常锻炼和专业运动员训练具有重要指导意义。研究团队还结合一维卷积神经网络（1D-CNN），实现了对14种不同发音与手写动作的高精度识别，识别准确率达到94.6%，展现出该传感器在人机交互与智能感知领域的应用潜力。

来源：传感器专家网