柔性拉伸应变传感器的主要技术路线分析
2025-10-13
一
引言
柔性拉伸应变传感器作为柔性电子领域的核心部件，其技术发展正深刻地改变着人机交互、健康监测和智能穿戴等众多应用场景。与传统刚性传感器相比，柔性拉伸应变传感器具备可弯曲、可拉伸、可扭曲等特性，能够更好地与人体或不规则表面集成，实现自然、舒适、连续的生理与运动信号监测。本文旨在系统梳理其技术路线，涵盖从基础材料、传感机制、微结构设计、制备工艺到系统集成与前沿挑战的全链条深度分析。
二
按传感机理分类
柔性拉伸应变传感器主要分为电阻型和电容型传感器。尽管还有几种其他类型应变传感器,包括布拉格光纤、拉曼飘移、摩擦发电和离子压电应变传感器用于皮肤覆盖和可穿戴传感器。但是，由于他们复杂的测量系统、低分辨率和差的动态性能导致这些传感器面临巨大挑战。另一方面，电阻式和电容式传感器制作成本低、性能优异、信号读取简单、应用广泛，本文仅讨论电阻式和电容式两种可拉伸应变传感器，以及基于电阻原理的液态金属拉伸应变传感器。
三
主要技术路线
1、电阻式拉伸应变传感器
电阻型拉伸应变传感器是由导电敏感层耦合柔性基底构成的，其电阻在拉伸过程中会随所施加应变发生可控的变化。
1.1 材料体系
电阻式传感器的核心是导电敏感材料与柔性基底的组合体系。导电材料主要包括：
碳基材料：碳纳米管（CNTs）、石墨烯及其衍生物、炭黑等形成的主要导电网络。碳纳米管纸-PDMS复合材料可实现高达10⁴的灵敏度因子。
金属材料：金属纳米线（如银纳米线）、纳米颗粒和薄膜、以及液体金属，提供高电导率但拉伸性有限。
复合导电材料：导电聚合物（如PEDOT:PSS）与弹性体的复合材料，平衡导电性与机械性能。
基底材料：主要采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）、Ecoflex、聚氨酯(PU)等弹性体，提供柔性支撑和可拉伸性。
1.2 结构设计
电阻式传感器的结构设计旨在优化应变-电阻响应特性：
微观结构设计：褶皱结构、螺旋结构和多孔结构通过预应变处理实现，可显著提高拉伸性和稳定性。
多层复合结构：三明治结构将导电层夹于弹性体之间，保护导电网络并提高耐久性。
裂纹传播结构：利用金属薄膜的微裂纹传播机制，实现高灵敏度传感。
1.3 制造工艺
制造工艺直接影响传感器性能和可扩展性：
纳米材料集成工艺：采用过滤转移、旋涂和喷涂技术将导电材料集成到弹性基底上。
图案化技术：光刻和激光刻蚀用于定义精确的传感区域和电极图形。
印刷电子技术：丝网印刷和3D打印正成为低成本、批量生产的可行方案。
1.4 性能特征
电阻式传感器的性能参数范围广泛：
灵敏度（Gauge Factor）：通常2-20，极端情况下可达10³-10⁴。
可拉伸范围：普遍在2%-100%之间，特殊设计可达300%以上。
响应时间：通常＜200ms，最快可达19.6ms。
1.5 代表企业：Images Scientific
Images Scientific 的柔性拉伸应变传感器是一种专用于测量拉伸、位移和力的设备，采用柔性圆柱形电缆设计。它属于电阻型应变传感器系列，广泛应用于机器人、可穿戴设备及人机交互领域，能直观地将物理拉伸转换为电信号变化，便于实时监控和数据采集。
传感器基于电阻变化机制运作：在未拉伸（松弛状态）时，每英寸的电阻值约为1000欧姆；当被拉伸时，电阻会线性增加，拉伸至原长的150%时（例如6英寸版本拉伸到9英寸），电阻升至约2000欧姆每英寸。这种线性响应确保了测量精度和可重复性，适用于连续动态监测。推荐工作范围为原长的40%-50%，以避免过度拉伸影响稳定性。
2、电容式柔性拉伸应变传感器
电容型柔性拉伸应变传感器采用在一对可拉伸电极之间砂磨的高度兼容的电介质层，拉伸应变使２个电极之间的距离发生变化，以及电极面积发生变化，从而导致电容发生变化。
2.1 材料体系
电容式传感器采用电极-介质-电极的三明治结构：
电极材料：银纳米线（AgNWs）、碳基材料（CNTs、石墨烯）和导电织物为主流选择
介质材料：PDMS、Ecoflex等弹性体作为介电层，其介电常数和可变形性直接影响灵敏度
新型介电材料：离子凝胶和复合介电材料（添加陶瓷/压电填料）可显著提升性能
2.2 结构设计
结构设计聚焦于提升电容变化率和线性响应：
电极几何优化：蛇形、波浪形和褶皱电极设计减少应力集中，提高拉伸性
微结构介电层：多孔和微结构介电层增强变形时的电容变化幅度
负泊松比结构：Miura-ori折纸结构等创新设计实现异常应变响应和高灵敏度
2.3 制造工艺
电容式传感器的制造工艺要求较高的层间对准精度：
微纳加工技术：光刻和微模塑技术制备精确定义的电极和介质层
转印技术：将预制备的电极转移到弹性基底上，确保界面完整性
多层集成工艺：顺序沉积和层压技术实现三明治结构的可靠集成
2.4 性能特征
电容式传感器具有独特的性能特征：
灵敏度（Gauge Factor）：理论极限为1，但通过几何工程可达2-60，极端情况下报道值高达3933
可拉伸范围：通常50%-100%，优化设计可达800%
响应时间：普遍在62-220ms范围内
线性度：明显优于电阻式传感器，滞后小，重复性好
2.5 代表企业：宁波韧和科技
宁波韧和科技，作为国内弹性电子技术的先行者，开发了基于电容原理的弹性拉伸传感器系列产品（ESSA-01、ESSB-01）。其技术源于中国科学院宁波材料技术与工程研究所的科研成果，已获授权发明专利近百项。
弹性拉伸传感器以自主研发的弹性纳米导电材料为核心敏感 材料、纺织材料为封装层，可复合在纺织布料、皮革等弹性体表面，具备高弹性、高灵敏度、快速响应的特性。搭配高精度 无线检测系统和相关算法，可检测拉伸应变、位移、弯曲角度、 拉力等实时数据 ，广泛应用在智能穿戴、健康监测、人机交互、 结构安全评估等领域。
3、液态金属柔性拉伸应变传感器
通过特殊工艺处理，如微流道成型技术，将液态金属LM嵌入到弹性体的微通道中，在无应变条件下，LM 表现出高连通性和低电阻，而在拉伸变形下，它会转变为连通性降低和电阻增加，从而产生高度线性的电阻-应变响应，属于电阻型的柔性拉伸应变传感器。
3.1 材料体系
液态金属路线以镓基合金（如EGaIn、Galinstan）为核心材料：
液态金属特性：具有高电导率（3.4×10⁶ S/m）、低毒性和室温流动性
封装材料：PDMS、Ecoflex等弹性体用于封装液态金属，防止泄漏
复合材料：液态金属与聚合物、纳米材料复合形成功能化复合材料
3.2 结构设计
液态金属传感器的结构设计围绕其流动特性展开：
微流道结构：嵌入式微通道限制液态金属流动，提供可控的导电通路
可重构结构：利用液态金属的流动性实现传感器形状和功能的动态重构
自愈合结构：液态金属在损伤时自动填充裂纹，实现自动修复
3.3 制造工艺
液态金属传感器的制造需要特殊工艺处理：
微流道成型技术：软光刻、激光烧蚀和3D打印制备微通道模板
液态金属注入技术：真空辅助、压力注入和表面处理确保液态金属完全填充微通道
直接图案化技术：激光脉冲激活、磁场引导和印刷技术实现液态金属的直接图案化
3.4 性能特征
液态金属传感器展现出独特的性能优势：
灵敏度（Gauge Factor）：通常2-20，复合结构可达89.5-375.5
可拉伸范围：普遍＞350%，最高可达1400%
响应时间：约158ms，与电阻式相当
自愈合能力：损伤后电阻恢复率＞90%，愈合时间数分钟至数小时
3.5 代表企业：Liquid Wire
Liquid Wire公司，代表了液态金属应变传感器的技术前沿，其基于专利的"Metal Gel™"液态金属合金技术，开发了具有卓越耐久性的可拉伸传感器产品，提供在拉伸、弯曲、扭转等复杂形变中仍能保持稳定性能的电子组件。为机器人、医疗设备、智能穿戴及工业自动化等行业提供灵活可靠的连接与传感方案。
Liquid Wire的核心技术基础是Metal Gel™材料，由液态金属合金与弹性 TPU 封装结构组成。该材料结合了良好的导电性与机械柔韧性，能够在复杂运动环境中维持稳定的信号与能量传输，具备高灵敏度与低迟滞特性。传感器通过检测导体在受力时的电阻变化，实现对微小形变的精确测量。
四
挑战与未来展望
1. 技术挑战
每种技术路线面临特定挑战：
电阻式：灵敏度与拉伸性之间的权衡、非线性响应、长期稳定性不足
电容式：灵敏度固有极限、环境电磁干扰、复杂信号解调
液态金属：封装可靠性、泄漏风险、制造工艺复杂性
2. 未来发展方向
未来研究将聚焦以下方向：（仅供参考）
材料创新：开发新型复合材料，如液态金属-纳米粒子杂化材料、本征可拉伸导体
结构优化：仿生结构设计（如褶皱、分级多孔结构）进一步提升性能
先进制造：发展卷对卷印刷、4D打印等可扩展制造技术
系统集成：与人工智能结合实现智能传感，与柔性电子系统深度融合
五
结论
柔性拉伸应变传感器的三大技术路线——电阻式、电容式和液态金属路线——各自具有鲜明的技术特点和适用场景。电阻式路线成熟度高、灵敏度突出，适合需要高精度应变检测的应用；电容式路线线性度好、稳定性佳，适合长期监测和动态测量；液态金属路线拉伸性极高、功能多样，适合极端变形条件和多功能集成场景。
未来发展趋势将不再局限于单一技术路线的性能优化，而是趋向于融合多种技术优势的混合型传感器，以及具备自愈合、可回收特性的可持续电子设备。随着材料科学、制造技术和人工智能的深度融合，柔性拉伸应变传感器将在健康监测、软体机器人、人机交互等领域发挥更加重要的作用。
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