非晶合金皮肤：新型柔性应变传感器

Original 2018-01-15 咸海杰汪卫华 中国物理学会期刊网

作者：咸海杰，汪卫华 (中国科学院物理研究所)

皮肤是人体最大的器官，承担着保护人体内部组织和感受外界刺激的功能。与人体皮肤类似，电子皮肤可以保护智能机器人内部的精密结构不受损伤，更重要的是，它能赋予机器人“知觉”，让其能感受到外界环境的刺激和变化，及时做出响应。早在20 世纪70 年代，电子皮肤的概念就出现在很多科幻小说和科幻电影中，与此同时，科学家们也开始对电子皮肤进行不断探索，因为除智能机器人以外，电子皮肤在仿生假肢、健康监测等领域也有巨大应用前景。

电子皮肤的基本单元是柔性应变传感器。随着智能终端的普及，电子皮肤作为可穿戴设备在过去20 年中得到蓬勃发展。许多新材料被开发用作电子皮肤的应变敏感材料，包括碳纳米管、石墨烯、金属和半导体纳米线、金属纳米颗粒、有机高分子材料等。然而，这些材料都有着自己的短板，强烈地限制了电子皮肤的实际应用。例如，通过化学气相沉积方法生长的石墨烯往往含有很多缺陷和杂质，并且由于温度的限制无法直接生长在柔性衬底上；金属纳米颗粒多是由贵金属组成，并且由于隧穿效应在监测应变时电阻会变得很大；金属和半导体纳米线价格昂贵且难以大规模集成；有机高分子材料力学性能与人体皮肤最为接近，但是其导电性太差，需要较大电压驱动，对于可穿戴设备而言能耗高且不安全。因此，寻找同时具备导电性好、柔性佳、灵敏度高、稳定、易加工等特点的应变敏感材料对电子皮肤的实际应用迫在眉睫。

金属合金是人类最早开发并且至今仍在日常生活中使用最广泛的材料之一。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最大的短板。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。与此同时，非晶合金又能将金属优良的导电性较好地保留下来。利用非晶合金材料这些特性，我们最近开发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。如图1 所示，非晶合金皮肤柔性好，很容易弯曲超过180°。通过选择不同大小的衬底，非晶合金皮肤的面积可以实现从几平方毫米到150 cm²的连续变化。通过对非晶合金薄膜的厚度进行调控，非晶合金皮肤视觉上可以变“透明”。

图1 (a)非晶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非晶合金薄膜厚度的变化

电子皮肤的核心功能是将应变转化为电信号，一种较为常见的策略是通过压阻效应，即材料电阻随应变的改变来实现，因为其响应快、信号转换方便等特点。对该传感器进行的压阻效应测试结果表明(图2)，非晶合金皮肤保留了金属材料高电导率(>5000 S cm^-1)、电阻与应变之间有完美的线性关系、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%)。图2(d)显示非晶合金皮肤可以用来灵敏地监测手指弯曲程度，表明其在仿生学等方向有很大应用前景。

图2 非晶合金皮肤压阻效应测试(a)非晶合金皮肤电阻随应变的变化；(b)循环测试结果；(c)1000 次弯折后的结果；(d)非晶合金皮肤用来监测手指弯曲程度的示意图

非晶合金区别于晶态合金的最大特点在于其原子和电子结构的无序性，这种无序性导致了电阻对温度的变化不敏感。在近室温区，非晶合金皮肤呈现出极低的电阻温度系数(9.04×10^-6K^-1)，比传统金属低2—3 个数量级，与石墨烯和碳纳米管相比，也有很大优势(图3)。低的电阻温度系数有利于消除热漂移，使电子皮肤工作的温度范围更大，同时也有利于和温度传感器集成，开发多功能电子皮肤。