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非晶合金电子皮肤做柔性传感器

发布时间:2019-01-30 访问次数:685次 来源:柔性电子服务平台 分享:

电子皮肤时常被人提起,随着智能终端的普及,电子皮肤作为可穿戴设备在过去20年中得到蓬勃发展。电子皮肤制造并不难,主要就是其基本单元—柔性应变传感器。

许多新材料被开发用作电子皮肤的应变敏感材料,包括碳纳米管、石墨烯、金属和半导体纳米线、金属纳米颗粒、有机高分子材料等。然而,这些材料并非完美,其固有的缺陷限制了电子皮肤的进一步的发展。

通过化学气相沉积方法生长的石墨烯往往含有很多缺陷和杂质,并且由于温度的限制无法直接生长在柔性衬底上。

金属纳米颗粒多是由贵金属组成,并且由于隧穿效应在监测应变时电阻会变得很大,金属和半导体纳米线价格昂贵且难以大规模集成。

有机高分子材料力学性能与人体皮肤最为接近,但是其导电性太差,需要较大电压驱动,对于可穿戴设备而言能耗高且不安全。

各类材料各有各的短板,科研人员又重新把目光投向了合金材料。采用急速冷却将金属液体无序的原子结构保留下来,得到的非晶合金材料可以极大地提高其弹性极限范围,高达2%,这已达到一般合金材料的几十倍了。与此同时,非晶合金又能将金属优良的导电性较好地保留下来。

利用非晶合金材料这些特性,中国科学院物理研究所和中国科学院大学的联合研究团队咸海波、汪卫华等人最近开发了一种新型柔性高性能应变传感器——非晶合金皮肤。

通过离子束溅射方法将ZrCuNiAl等非晶合金薄膜直接生长在柔性塑料(PC)衬底上得到非晶合金皮肤,其核心功能是将应变转化为电信号,他们采用一种较为常见的策略即通过压阻效应,材料电阻随应变的改变来实现,具有响应快、信号转换方便等特点。

其团队制备的非晶合金具备柔性,无序原子结构以及可调整厚度来达到不同透光率。

对该传感器进行的压阻效应测试结果表明,非晶合金皮肤保留了金属材料高电导率(>5000S cm-1)、电阻与应变之间有完美的线性关系、稳定性好等特点。同时,与传统晶态金属材料相比,弹性范围有很大的提高(室温下的理论弹性极限为4.2%)。该非晶合金皮肤可以用来灵敏地监测手指弯曲程度,其在仿生学等方向有很大应用前景。

值得关注的一点是,非晶合金区别于晶态合金的最大特点在于其原子和电子结构的无序性,而正是这种无序性导致了电阻对温度的变化不敏感。在近室温区,非晶合金皮肤呈现出极低的电阻温度系数(9.04×10-6K-1),比传统金属低2-3个数量级,与石墨烯和碳纳米管相比,也有很大优势。低的电阻温度系数有利于消除热漂移,使电子皮肤工作的温度范围更大,同时也有利于和温度传感器集成,开发多功能电子皮肤。


非晶合金具有的高强度、耐摩擦、耐腐蚀性等特点可以为机器人内部结构提供足够保护,而非晶合金皮肤能耗低(10-7 W)、成本低廉、工艺简单,亦可满足电子皮肤实际应用的必要条件。或许,在2019年,非合金电子皮肤会异军突起,也未必不是不可能。

参考文献:

[1]咸海杰,汪卫华.非晶合金皮肤:新型柔性应变传感器[J].物理,2018(1).

[2]Wang X DDongLZhangH L et al. Adv. Sci.201521500169