高鲁棒性软应变仪在生命体征和机器状态监测领域正迅速成为一种有前途的候选仪器。然而，在这些传感器中实现具有长期使用的机械/电气稳健性的高性能应变传感仍然是一个关键挑战。传感器的多层结构设计提高了传感性能，但不同层间非均质材料的界面连接较弱。在此基础上，通过界面设计工程，借鉴蝎缝感器的高效感知机制和坚韧的界面连接，成功实现了超高电性能和机械鲁棒性的协同作用。所开发的多层软应变计(MSSG)具有超过105的应变灵敏度，8.3µm的检测下限，0.1 Hz以内的频率分辨率和超过63000个应变循环的循环稳定性。此外，坚固的界面提高了MSSG中的异质集成水平，允许承受不同的应力。此外，开发了基于mssg的无线应变监测系统，该系统可以应用于不同的复杂动态表面，包括准确识别人体咽喉活动和监测滚动轴承状况。
图解
图1:接口设计工程和制造的mssg。a) MSSG的基本模块，包括传感功能层和粘附基板层。b)多层传感器普遍存在的界面和界面不稳定问题。c) mssg接口设计工程策略，左图为原理图，右图为实物图。d) mssg的制作工艺。
图2：MSSG内部界面性质表征。a) MSSG内部接口。b)接口1示意图。c-e)接触角测试、傅里叶变换红外测试、x射线光电子能谱测试。f)对制备的金层进行x射线衍射测试。g)优化了桥位Au(111)上硫醇分子的构型。h)吸附在Au(111)桥位上的硫醇分子电荷密度差的三维等值面。深粉色和浅绿色的等值面分别对应于电子的积累和消耗。i)金层与导电弹性体的界面剪切强度。j)脆性金层断裂模式。k)界面2的SEM图像，几乎是无缝集成的。l) 2号界面在同轴拉伸下的稳定性。
图3：粘附层的粘附性能表征。a)粘接层搭剪试验示意图。b)不同交联网络密度下的附着力。c)不同交联网络密度下的粘附强度统计。d)加载速率对粘接强度的影响。e)拉伸粘附的时间依赖性。f) 10次搭剪循环后的剪切力变化，剪切位移为5mm . g)粘附层对不同材料(PI膜、玻璃片、铝片、PDMS膜)的粘附强度。h、i)附着层附着在人的手上，承受水流的冲击。
图4：应变传感性能表征。a)不同碳纳米管含量(分别为3、4、5 wt.%)的MSSG应变传感曲线。b) MSSG与已报道传感器在不同应变范围的GF值比较。[8,10,15,16,45,49] c) MSSG的最低检出限。d)不同加载频率(1、1.1、1.2 Hz)下MSSG电阻响应的快速傅里叶变换结果，输出频率分别为0.9967、1.1075、1.2182 Hz。e,f)手指摩擦和砂纸摩擦后MSSG的阻力响应。
g)将PDMS硅橡胶固定在滑块上，用步进电机对MSSG表面进行循环加载，步进电机的步进速度为100mm min−1，步进距离为±10mm。h) MSSG在机械、热、湿应力作用下的相对电阻变化率(比尺:5mm)。i)报告传感器与MSSG的综合性能比较雷达图。
图5：MSSG在咽喉活动监测中的应用。a) MSSG应用于咽喉活动监测的测试程序示意图。b) MSSG采集的不同咽喉活动(说话、咳嗽、翻身、吞咽)下的电信号。c)不同喉道活动下MSSG采集电信号的波形特征和时频特性。d,e) 150历元迭代的训练和验证数据的准确性和损失。f)五种不同咽喉活动的混淆矩阵。
图6：MSSG在轴承状态监测中的应用。a)用于轴承旋转状态检测的MSSG流程图。b)试验装置原理图。c)测试点的选择。d,e)轴承结构特征引起的振动和MSSG采集到的振动信号。f,g)微磨损轴承示意图及MSSG采集到的振动信号。h)模拟MSSG在卡死状态下捕获的振动信号。i)模拟MSSG在异常停机情况下采集到的振动信号。
结论
受蝎子缝状感受器的高效传感机制的启发，我们开发了一种具有超高应变传感性能和机械/电气鲁棒性的MSSG。MSSG优异的综合性能来源于接口设计工程策略。我们详细描述和表征了MSSG内部的非均质材料连接界面#1(桥分子)和均质材料连接界面#2(拓扑交联)。MSSG和动态表面之间的界面#3通过分子间相互作用紧密相连。结果表明，MSSG的最大测量因子大于105，检测下限低至8.3µm，频率分辨率小于0.1 Hz，在63000个应变载荷下具有循环稳定性。更重要的是，MSSG能够承受机械、热、湿应力，具有优异的机械/电气稳健性。它使MSSG能够在长时间的实际使用中保持高性能传感，确保信号的准确性和可靠性。我们演示了MSSG在可穿戴生理和轴承工况测量中的应用。虽然更理想的性能，即更高的传感稳定性和机械鲁棒性，如基于微机电系统(MEMS)的传感器，可以改进和开发，我们的MSSG代表了一个有前途的材料系统设计思想，用于开发软电子产品，可以在许多领域找到重要的应用。
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原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202406432
