用于可穿戴电子产品的应变传感器结合了高灵敏度和大感应范围

柔软且可拉伸的应变传感器对于可穿戴电子设备（例如运动跟踪设备和生理监测系统）的使用具有无可估量的价值。 然而，目前，灵敏度和感应范围之间的权衡是一个主要挑战。 能够检测小变形的应变传感器不能拉伸很远，而那些可以拉伸到更大长度的传感器通常不是很灵敏。

在监测人体生理和运动时，皮肤应变范围从低于 1% 到超过 50%。 因此，单独的传感器通常用于检测细微的应变（例如与脉搏和呼吸相关的应变）和大的应变（例如身体部位的弯曲）。 但对于监测某些疾病，最好使用单一设备。 例如，在帕金森病中，传感器必须足够灵敏以监测微小的震颤，同时保持足够大的范围以测量关节运动。

真正需要的是一个单一的传感器，它可以连接到身体的不同部位，并且可以准确测量人体皮肤的全方位压力。 带着这个目标，一个团队在 北卡罗来纳州立大学 开发了一种柔软的可拉伸电阻应变传感器，具有高灵敏度、大传感范围和高鲁棒性。

“我们开发的新传感器既灵敏又能够承受显着变形，”通讯作者解释说 朱勇 在一份新闻声明中。 “另一个特点是传感器即使在过度应变时也非常坚固，这意味着当施加的应变意外超过感应范围时它不太可能损坏。”

传感器，描述于 ACS应用材料和界面, 通过测量电阻的变化来测量应变。 该设备由嵌入弹性聚合物聚（二甲基硅氧烷）中的银纳米线网络制成，其顶部表面有一系列机械切口，从两侧交替。

当传感器被拉伸时，切口拉开。 这迫使电信号从穿过闭合裂缝的均匀电流过渡到沿着由开放裂缝定义的之字形导电路径进一步传播。 因此，电阻在施加的应变下增加。 切口的打开还允许该装置承受显着变形而不会达到其断裂点。 “这个特征——图案化的切口——可以在不牺牲灵敏度的情况下实现更大范围的变形，”第一作者说 双武.

该团队进行了实验和有限元分析，以评估狭缝深度、长度和间距对传感器性能的影响。 优化后的器件具有 290.1 的大应变系数（电阻相对变化与机械应变的比率），传感范围超过 22%。 它对过度应变和 1000 次重复加载循环也很稳健。

建筑设备

为了展示他们的新型应变传感器的一些潜在应用，Zhu、Wu 及其同事将其集成到可测量不同运动水平的可穿戴健康监测系统中。

首先，他们使用传感器来监测血压，这需要极高的灵敏度。 他们使用橡皮筋固定传感器，将其放在志愿者的手腕上以检测脉搏波——人体皮肤上最小的应变信号之一。

当血液通过静脉泵出时，传感器末端被带子固定在适当的位置，而中心被拉伸，打开其顶面的裂缝。

研究人员表明，这种装置可以捕捉手腕桡动脉的脉搏波。 通过在手臂上方的肱动脉上放置另一个应变传感器并同时记录第二个脉搏波，他们可以测量平均脉搏波速度，从而可以计算血压。

在下一个示例中，传感器用于监测运动过程中下背部的大应变，这对物理治疗很有用。 在这里，研究人员将传感器与可拉伸的运动胶带集成在一起，并沿着志愿者下背部的脊柱平行连接两个传感器。 他们还将蓝牙板连接到背面以收集和传输传感信号。

从坐直位置开始，受试者进行一系列运动，同时传感器监测下背部拉伤。 当身体前倾时，两个传感器都会响应阻力增加。 当身体前倾和侧倾时，相应一侧的传感器电阻几乎保持不变，而另一侧的传感器则显示出显着增加的电阻。

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最后，为了演示传感器在人机界面中的用途，研究人员创建了一个软 3D 触摸传感器，它可以跟踪法向应力和剪切应力，并可用于控制视频游戏。 他们还在手套的指尖上集成了一个应变传感器，然后用来抓取一杯水，展示了它在机器人应用中的触觉传感潜力。

该团队现在正在探索应变传感器在生物医学和运动应用中的应用。 “生物医学应用包括监测中风患者康复过程中的运动模式，”朱说 物理世界. “我们还在致力于传感器的可扩展制造。”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/