清华：金属薄膜传感材料研究进展

发布时间：2016-03-08

2月26日，清华大学材料学院朱宏伟课题组在英国皇家化学学会期刊Materials Horizons在线发表了题为《定向裂纹调控的金薄膜超高灵敏应变传感》的研究论文。

2月26日，清华大学材料学院朱宏伟课题组在英国皇家化学学会期刊Materials Horizons在线发表了题为《定向裂纹调控的金薄膜超高灵敏应变传感》(Structural Engineering of Gold Thin Films with Channel Cracks for Ultrasensitive Strain Sensing)(Materials Horizons, DOI: 10.1039/C6MH00027D)的研究论文，通过在金薄膜中引入定向微裂纹调控其导电通道，制备了超高灵敏穿戴式应变传感器，在此基础上实现了多物理信号的探测与收集。

柔性应变传感器是一种能将待测构件上应变的变化转换为电学信号变化的传感元件，因其具有柔性的力学特征，可方便贴附至不规则的物体表面(例如人体)，帮助辨识皮肤表面触觉力信号及其分布。近年来，随着柔性电子学的发展，发展新型可贴附、可穿戴式的柔性传感器件受到国内外的广泛关注。就应变传感领域而言，引入新型传感材料、设计精巧的器件结构，以实现高灵敏的柔性传感器件，应用于智能假肢、人机交互、移动医疗等领域，逐渐成为当前重要的前沿研究领域之一。

传统金属材料来源丰富、性能稳定、工艺成熟、价格低廉，其能否在下一代柔性可穿戴应用中发挥关键作用?本工作试图探究这一问题。一般的金属薄膜在应变作用下产生受力变形后电阻发生改变，应变灵敏系数通常较低(~2)，不适合微小变形的探测。本研究通过调节金属薄膜和柔性衬底之间的界面相互作用，设计了定向且贯通的微裂纹。在微小应变下，裂纹展开产生导电能力的突变，从而实现超高灵敏的应变传感。在低于1%的小应变作用下，相对电阻变化超过50倍，应变灵敏系数高达103量级。在此基础上，构建了超轻薄的柔性应变传感器，实现了人体脉搏信号的精确探测，以及音调、响度的准确识别。

本工作不仅提供了一种高灵敏柔性应变传感器的设计思路，并且为理解金属断裂，裂纹形貌与导电性能、应变传感特性之间的关系提供了重要的线索。

以上工作与北京大学微电子研究院李志宏教授合作完成。研究得到了北京市科技计划重大项目、国家自然科学基金等项目的资助。