可拉伸電子器件具有匹配人體復(fù)雜幾何構(gòu)型的基本優(yōu)勢(shì)，這為實(shí)時(shí)生物力學(xué)傳感提供了機(jī)會(huì)。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，一支由美國(guó)達(dá)特茅斯學(xué)院（Dartmouth College）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在npj Flexible Electronics期刊上發(fā)表了題為“Broadband mechanoresponsive liquid metal sensors”的論文，該論文提出的新型液態(tài)金屬傳感器有助于用于觸覺(jué)和生物醫(yī)學(xué)傳感的新一代高效節(jié)能可穿戴設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

　　可拉伸電子器件與人類生理學(xué)的復(fù)雜幾何構(gòu)型和柔順機(jī)構(gòu)獨(dú)特地相匹配。這種能力使可拉伸和柔性器件適用于各種人體生物醫(yī)學(xué)傳感應(yīng)用，如脈搏波傳感、血氧測(cè)定和生物阻抗斷層掃描等，因?yàn)樗鼈兙哂卸喾较虻目衫煨院涂勺冃涡浴４送?，可拉伸材料提供的保形接觸可以通過(guò)減少運(yùn)動(dòng)偽影來(lái)提高信號(hào)質(zhì)量，并可將可穿戴電子設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓枯p和不易察覺(jué)的設(shè)備。液態(tài)金屬，如Ga和In的共晶合金（EGaIn）（75.5% Ga，24.5% In）和Ga、In、Sn的共晶合金（Galinstan）（68.5% Ga、21.5% In和10.0% Sn），由于其高導(dǎo)電率（3.4 × 10? S?cm?1）和低毒性，是可拉伸電子器件連接的最高性能材料。此外，EGaIn的液體狀態(tài)很容易適應(yīng)可穿戴設(shè)備所需的大單軸和雙軸應(yīng)變的循環(huán)載荷，而無(wú)需蜿蜒曲折的蛇形結(jié)構(gòu)。

　　液態(tài)金屬導(dǎo)體的可靠性和性能對(duì)于集成了許多無(wú)源元件、傳感器和集成電路（IC）的可拉伸無(wú)線電路至關(guān)重要。這些可穿戴系統(tǒng)在正常使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生變形，包括關(guān)節(jié)（如指關(guān)節(jié)或肘部）處皮膚的雙軸應(yīng)變高達(dá)30–40%。維持這些機(jī)械變形使得電阻傳感模式將液態(tài)金屬跡線轉(zhuǎn)換為應(yīng)變計(jì)。液態(tài)金屬柔性電路的變形包括平面內(nèi)機(jī)械拉伸、平面外扭轉(zhuǎn)和壓縮等模式。雖然液態(tài)金屬導(dǎo)體對(duì)這些機(jī)械變形模式的基于直流（DC）電阻的電響應(yīng)（反映應(yīng)變程度、橫截面幾何形狀和長(zhǎng)度）已得到了充分證實(shí)，但人們尚未探索它們對(duì)這些模式的高頻響應(yīng)。

　　交流（AC）電阻調(diào)制是一種很有前途的方式，通過(guò)充分利用液態(tài)金屬可變形幾何構(gòu)型的物理特性，人們可以擴(kuò)展液態(tài)金屬可拉伸傳感器的靈敏度和性能。以往的基于交流的液態(tài)金屬傳感方面的研究是通過(guò)液態(tài)金屬傳輸線上的反射以及電感或電容的變化進(jìn)行時(shí)域傳感的。然而，這些以往的研究尚未考察液態(tài)金屬在高于1 MHz的較高頻率下的一個(gè)關(guān)鍵特征——即可變形導(dǎo)體的橫截面自然地改變了它們的電磁學(xué)，并在微尺度上改變了有效電阻率。

　　理解液態(tài)金屬導(dǎo)體中交流傳導(dǎo)的電動(dòng)力學(xué)對(duì)于設(shè)計(jì)用于傳感和通信的復(fù)雜可拉伸模擬電路至關(guān)重要。具體而言，通過(guò)軟光刻技術(shù)由液態(tài)金屬制成的具有無(wú)源元件（如電阻器、電容器、導(dǎo)通孔等）的高密度可拉伸電子器件可以從對(duì)機(jī)械變形的高頻交流電阻響應(yīng)的研究中受益匪淺。交流性能也是將液態(tài)金屬用于對(duì)電阻損耗高度敏感的無(wú)線電力傳輸?shù)葢?yīng)用的核心問(wèn)題。

　　在這篇論文中，研究人員提出了一種高頻交流增強(qiáng)電阻傳感方法，該方法利用可變形液態(tài)金屬來(lái)改善可穿戴電子設(shè)備中機(jī)械刺激的低功耗檢測(cè)。這種增強(qiáng)的基本機(jī)制是集膚效應(yīng)的幾何調(diào)制，它導(dǎo)致電流在液態(tài)金屬跡線的表面發(fā)生擁擠。結(jié)合直流傳感，該方法可以定量地確定變形的機(jī)械模式，例如平面內(nèi)拉伸和平面外壓縮，這些模式傳統(tǒng)上是無(wú)法區(qū)分的。在這里，他們通過(guò)有限元仿真研究這種方法。最后，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示了可穿戴觸覺(jué)手套裝置和可穿戴呼吸傳感帶中的交流電阻傳感，驗(yàn)證了低功耗拉伸和壓縮的多模式檢測(cè)性能。此外，這種交流傳感器的功率比直流傳感器低100倍，從而有助于用于觸覺(jué)和生物醫(yī)學(xué)傳感的新一代高效節(jié)能可穿戴設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

　　圖1 柔性電子器件應(yīng)用的液態(tài)金屬填充導(dǎo)體的有限元分析仿真交流電阻

　　圖2 交流增強(qiáng)液態(tài)金屬傳感器制造和手勢(shì)跟蹤實(shí)驗(yàn)

　　圖3 實(shí)驗(yàn)交流電阻的建模和低功耗可穿戴呼吸傳感帶的演示

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