基于导电薄膜的可穿戴柔性应变传感器在许多高科技领域都显示出巨大的应用潜力。它们对灵敏度、柔韧性、稳定性和耐用性的协同性能有很高的要求。然而，克服高灵敏度和高拉伸性之间的权衡仍然是这项研究的巨大挑战。本文，杭州电子科技大学卢晨曦 助理研究员、胡亮 副教授团队在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Ultrasensitive, highly stretchable and multifunctional strain sensors based on scorpion-leg-inspired gradient crack arrays”的论文，研究受蝎子腿上梯度裂缝的启发，开发了一种基于梯度裂缝阵列的高性能柔性应变传感器的简便制备策略。在柔性基底上通过一步掩膜技术制备的周期性厚度梯度金属膜中，可控地形成具有分支或分层特征的梯度裂纹阵列。在机械应变的作用下，裂纹从最厚的薄膜区域向最薄的薄膜区域逐渐张开，形成了一种独特的传感机制。

因此，基于梯度裂纹的应变传感器具有优异的综合性能，包括高灵敏度（高达 21000）、宽传感范围（约70 %）、低检测限（0.02 %）、快速响应速度（低于80毫秒）、出色的稳定性和耐用性（在5%应变下可循环使用15000 次）。作为应用示范，这种传感器可用于监测人类的各种活动，并通过双向弯曲来表达和加密信息。这项工作为制造高灵敏度、可拉伸、坚固耐用、多功能、基于裂纹的柔性应变传感器提供了一种新方法，将极大地拓展柔性电子产品和可穿戴设备的应用领域。

受蝎子腿上梯度裂缝的启发，我们成功制造出了基于梯度裂缝阵列的高性能柔性应变传感器，并对其传感特性和应用场景进行了详细研究。通过使用掩蔽和溅射的组合技术，在柔性 PDMS 基底上自发形成了周期性厚度梯度金属膜，从而形成了具有梯度和层次特征的独特裂纹阵列。裂纹的几何形状与薄膜厚度和施加的应变密切相关，这与材料断裂理论的预测非常吻合。在机械应变作用下，梯度特征会诱导裂纹从最厚的薄膜区域向最薄的薄膜区域逐步打开，从而导致电阻缓慢而逐步地上升。

在这项研究中，独特的传感机制确保了高灵敏度（高达 21000）和宽传感范围（∼ 70 %）的最佳结合，优于之前报道的大多数基于裂纹的传感器。此外，基于梯度裂纹的应变传感器还具有检测限低（0.02 %）、响应速度快（80 毫秒响应时间和 67 毫秒恢复时间）、稳定性好和耐用性强（在 5 % 应变下可循环使用 15000 次）等特点。高性能应变传感器适用于监测各种人体活动，包括关节弯曲、脉搏跳动和吞咽。三个双向可弯曲传感器的组合还成功实现了信息表达和加密。这项工作为通过构建异质薄膜系统进行裂缝结构设计提供了新思路。综合性能优异的柔性应变传感器将有利于电子皮肤、可穿戴设备、人机界面和软机器人等多个应用领域。

来源：传感器专家网