近年來，柔性可拉伸傳感器因其在智能假肢、電子皮膚、虛擬現(xiàn)實輔助設(shè)備、人類健康監(jiān)測等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，逐漸成為研究熱點。特別是應(yīng)變傳感器，它可將機(jī)械變形轉(zhuǎn)換為可讀輸出信號，在柔性智能設(shè)備發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。
迄今為止，基于電信號（電容或電阻）的應(yīng)變傳感器是最主流的方法，然而，此類應(yīng)變傳感器需要依賴電信號處理器、外部電源等附加設(shè)備。因此，基于光信號的應(yīng)變傳感器被認(rèn)為是一種理想的替代方案。
由于顏色是識別速度最快、最直觀的信號之一，它已被用于多種傳感機(jī)制，包括機(jī)械應(yīng)變傳感器。比色應(yīng)變傳感器就是一種以光學(xué)響應(yīng)信號為基礎(chǔ)，利用傳感器單元的光學(xué)性質(zhì)（吸收或反射）產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色作為輸出信號實現(xiàn)檢測的傳感器。
不過，比色傳感器目前面臨著角度依賴性和應(yīng)變工作范圍兩大技術(shù)難題。如何以簡單的工作機(jī)理、高靈敏度、高可靠性和具有成本效益的制造工藝來制造它們也是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，韓國機(jī)械材料研究所（KIMM）、韓國科學(xué)技術(shù)聯(lián)合大學(xué)院大學(xué)（UST）的研究人員提出一種新型比色應(yīng)變傳感器，其可拉伸聚二甲基硅氧烷（PDMS）襯底上具有納米級二維光子晶體結(jié)構(gòu)（PCS）。由于周期性的納米結(jié)構(gòu)，傳感器表面會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色，當(dāng)它被拉伸時，納米結(jié)構(gòu)的周期性變化會導(dǎo)致傳感器顏色變化。
該傳感器上集成了多個具有不同周期性的納米結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)高靈敏度的同時，工作范圍可擴(kuò)展到150%。該傳感器基于堅固且可重復(fù)使用的模具制備，工藝相對簡單，成本效益高，未來有望應(yīng)用于商用應(yīng)變傳感器。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。
比色應(yīng)變傳感器模具及傳感器制造工藝示意圖
該項研究中，研究人員提出一種基于結(jié)構(gòu)色的比色應(yīng)變傳感器，具有較大的應(yīng)變和顏色變化范圍。采用納米粒子自組裝的方法制備了具有二維光子晶體結(jié)構(gòu)的模具，之后將其轉(zhuǎn)移到PDMS襯底上，制備出應(yīng)變傳感器。由于晶體結(jié)構(gòu)色會隨應(yīng)變以及入射角和視角而變化，因此，在剛性襯底上制作了附加結(jié)構(gòu)，并將其附著在傳感器襯底上。
該襯底的顏色僅隨入射角和視角而變化，可用于補(bǔ)償可拉伸傳感器襯底的顏色變化，以適應(yīng)任意入射角和視角。剛性襯底上的顏色表示當(dāng)前入射角和視角，而可拉伸襯底上的顏色表示隨應(yīng)變的顏色變化。通過比較各襯底的顏色，可以獲得任意入射角和視角下的應(yīng)變。
可拉伸襯底上的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的周期性，分別為780 nm、510 nm和356 nm。由于每種結(jié)構(gòu)具有不同的工作范圍，該傳感器襯底具有較寬的可測量應(yīng)變范圍（高達(dá)150%）和高靈敏度。此外，該傳感器襯底在超過5000次循環(huán)的機(jī)械拉伸測試中表現(xiàn)出良好的耐久性。
基于結(jié)構(gòu)色的比色應(yīng)變傳感器工作原理
（a）在反射模式下六方結(jié)構(gòu)二維光子晶體的光學(xué)圖像顯示各區(qū)域不同亮度；（b）透射模式下六方結(jié)構(gòu)二維光子晶體的光學(xué)圖像顯示A、B區(qū)域存在納米顆粒，C區(qū)域為空；（c–f）不同角度（反射模式）下六方結(jié)構(gòu)二維光子晶體的光學(xué)圖像顯示A、B區(qū)域的交替亮度；（g）B區(qū)域亮度隨旋轉(zhuǎn)角度變化的極坐標(biāo)圖；（h）高倍率圖像（透射模式）顯示A、B區(qū)域六邊形晶格和入射光的方向（比例尺5μm）
（a）分別在三角形、圓形和方形區(qū)域制備了780 nm、510 nm和356 nm周期性納米結(jié)構(gòu)，通過整合三種不同的周期性納米結(jié)構(gòu)將應(yīng)變范圍擴(kuò)大到150%；（b）三角形（0-50%應(yīng)變）、圓形（50-125%應(yīng)變）和方形（125–150%應(yīng)變）區(qū)域的照片和衍射波長
總而言之，該比色應(yīng)變傳感器可以由納米顆粒自組裝和薄膜沉積的模具簡單復(fù)制而成，為基于結(jié)構(gòu)色的應(yīng)變傳感器的制備提供了一種簡單且具有成本效益的工藝策略。此外，該研究提供了一種用于測量各種視角和入射角應(yīng)變的新方法，采用具有光子晶體結(jié)構(gòu)的剛性襯底作為角度補(bǔ)償器，可對任意角度進(jìn)行初始顏色指示。
由于傳感器襯底應(yīng)變會導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)周期性的變化，從而使傳感器表面反射顏色發(fā)生變化。研究人員通過制作多種周期性結(jié)構(gòu)，使得該傳感器工作范圍擴(kuò)大到150%。此外，該傳感器襯底具有良好的機(jī)械耐久性，在工業(yè)級應(yīng)用中具備潛力。隨著人們對可穿戴設(shè)備、機(jī)器人、柔性傳感器等應(yīng)用需求的提升，該研究有望為這些需求提供極具競爭力的制造工藝和傳感器設(shè)備。
審核編輯：劉清