中科院物理所成功研制新型柔性高性能应变传感器

发布日期：2017-10-11 来源： 中国科学院物理研究所 浏览次数：19849

　　早在20世纪70年代，电子皮肤的概念就已经出现在很多科幻作品中。与此同时，科学家也开始对电子皮肤不断进行探索，因为它在智能机器人、仿生假肢、健康监测等领域有巨大应用前景。

　　(a)金属合金皮肤的光学照片。(b)XRD和TEM表明它的无序原子结构。(c)“透明”的非晶合金皮肤。(d)非晶合金皮肤的透光率随厚度的变化。

　　电子皮肤的基本单元是柔性应变传感器。然而，现有的应变敏感材料，由于导电性差、能耗高、制作工艺复杂、成本高等缺点，极大地限制了电子皮肤的实际应用。所以，寻找新型应变传感材料迫在眉睫。

　　金属合金是人类早并且至今仍在日常生活中使用广泛的材料之一。然而，晶体金属合金的弹性极限范围很小，一般金属合金材料的弹性极限远小于<0.5%，这是金属材料应用在电子皮肤领域大的短板。快速急速冷却是制备新型合金材料的现代方法，这种方法可以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%，是一般合金材料的几十倍。非晶合金又能将金属优良的导电性也较好地保留下来。利用非晶合金材料这些特性，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件实验室EX04组博士研究生咸海杰在汪卫华研究员、白海洋研究员、柳延辉研究员的指导下，近研制了一种新型柔性高性能应变传感器——非晶合金皮肤。

　　非晶合金皮肤是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)衬底上得到的。非晶合金传感器柔性好(弯曲角>180?)，通过对薄膜厚度的调控可以视觉上变得“透明”。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(>5000 S cm-1)、而且电阻与应变之间有的线性关系、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%)。此外，该传感器有极小的电阻温度系数(9.04×10-6 K-1)，明显的抗菌性等特点。另外，非晶柔性应变传感器制备方法简单，制造成本低。利用非晶合金柔性应变传感器这些独特性质，有望推动电子皮肤的早日实际应用，同时也为非晶合金材料的应用开辟新的途径。

　　相关工作“Flexible strain sensors with high performance based on metallic glass thin film”近日发表在Applied Physics Letters(111, 121906，2017)上。

　　本项研究工作得到了国家自然科学基金(51571209 and 51461165101)、973项目(2015CB856800)，和中科院前沿局重点项目的资助。

　　(原文标题：非晶合金皮肤：一种新型高性能柔性应变传感器)

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