近年來，柔性可拉伸傳感器因其在智能假肢、電子皮膚、虛擬現實輔助設備、人類健康監(jiān)測等領域的巨大應用潛力，逐漸成為研究熱點。特別是應變傳感器，它可將機械變形轉換為可讀輸出信號，在柔性智能設備發(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）的應變傳感器是最主流的方法，然而，此類應變傳感器需要依賴電信號處理器、外部電源等附加設備。因此，基于光信號的應變傳感器被認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制，包括機械應變傳感器。比色應變傳感器就是一種以光學響應信號為基礎，利用傳感器單元的光學性質（吸收或反射）產生的結構色作為輸出信號實現檢測的傳感器。
不過，比色傳感器目前面臨著角度依賴性和應變工作范圍兩大技術難題。如何以簡單的工作機理、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。
據麥姆斯咨詢報道，近期，韓國機械材料研究所（KIMM）、韓國科學技術聯合大學院大學（UST）的研究人員提出一種新型比色應變傳感器，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構（PCS）。由于周期性的納米結構，傳感器表面會產生結構色，當它被拉伸時，納米結構的周期性變化會導致傳感器顏色變化。
該傳感器上集成了多個具有不同周期性的納米結構，在實現高靈敏度的同時，工作范圍可擴展到150%。該傳感器基于堅固且可重復使用的模具制備，工藝相對簡單，成本效益高，未來有望應用于商用應變傳感器。相關研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。
比色應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構色的比色應變傳感器，具有較大的應變和顏色變化范圍。采用納米粒子自組裝的方法制備了具有二維光子晶體結構的模具，之后將其轉移到PDMS襯底上，制備出應變傳感器。由于晶體結構色會隨應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構，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，可用于補償可拉伸傳感器襯底的顏色變化，以適應任意入射角和視角。剛性襯底上的顏色表示當前入射角和視角，而可拉伸襯底上的顏色表示隨應變的顏色變化。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變。
可拉伸襯底上的晶體結構具有不同的周期性，分別為780 nm、510 nm和356 nm。由于每種結構具有不同的工作范圍，該傳感器襯底具有較寬的可測量應變范圍（高達150%）和高靈敏度。此外，該傳感器襯底在超過5000次循環(huán)的機械拉伸測試中表現出良好的耐久性。
基于結構色的比色應變傳感器工作原理
（a）在反射模式下六方結構二維光子晶體的光學圖像顯示各區(qū)域不同亮度；（b）透射模式下六方結構二維光子晶體的光學圖像顯示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）下六方結構二維光子晶體的光學圖像顯示A、B區(qū)域的交替亮度；（g）B區(qū)域亮度隨旋轉角度變化的極坐標圖；（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周期性納米結構，通過整合三種不同的周期性納米結構將應變范圍擴大到150%；（b）三角形（0-50%應變）、圓形（50-125%應變）和方形（125–150%應變）區(qū)域的照片和衍射波長
總而言之，該比色應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制而成，為基于結構色的應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變的新方法，采用具有光子晶體結構的剛性襯底作為角度補償器，可對任意角度進行初始顏色指示。
由于傳感器襯底應變會導致納米結構周期性的變化，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構，使得該傳感器工作范圍擴大到150%。此外，該傳感器襯底具有良好的機械耐久性，在工業(yè)級應用中具備潛力。隨著人們對可穿戴設備、機器人、柔性傳感器等應用需求的提升，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備。
審核編輯：劉清