可拉伸電子器件具有匹配人體復雜幾何構(gòu)型的基本優(yōu)勢，這為實時生物力學傳感提供了機會。據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，一支由美國達特茅斯學院（Dartmouth College）的研究人員組成的團隊在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和生物醫(yī)學傳感的新一代高效節(jié)能可穿戴設備的開發(fā)。

可拉伸電子器件與人類生理學的復雜幾何構(gòu)型和柔順機構(gòu)獨特地相匹配。這種能力使可拉伸和柔性器件適用于各種人體生物醫(yī)學傳感應用，如脈搏波傳感、血氧測定和生物阻抗斷層掃描等，因為它們具有多方向的可拉伸性和可變形性。此外，可拉伸材料提供的保形接觸可以通過減少運動偽影來提高信號質(zhì)量，并可將可穿戴電子設備轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓枯p和不易察覺的設備。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)很容易適應可穿戴設備所需的大單軸和雙軸應變的循環(huán)載荷，而無需蜿蜒曲折的蛇形結(jié)構(gòu)。

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

交流（AC）電阻調(diào)制是一種很有前途的方式，通過充分利用液態(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液態(tài)金屬傳輸線上的反射以及電感或電容的變化進行時域傳感的。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關鍵特征——即可變形導體的橫截面自然地改變了它們的電磁學，并在微尺度上改變了有效電阻率。

理解液態(tài)金屬導體中交流傳導的電動力學對于設計用于傳感和通信的復雜可拉伸模擬電路至關重要。具體而言，通過軟光刻技術由液態(tài)金屬制成的具有無源元件（如電阻器、電容器、導通孔等）的高密度可拉伸電子器件可以從對機械變形的高頻交流電阻響應的研究中受益匪淺。交流性能也是將液態(tài)金屬用于對電阻損耗高度敏感的無線電力傳輸?shù)葢玫暮诵膯栴}。

在這篇論文中，研究人員提出了一種高頻交流增強電阻傳感方法，該方法利用可變形液態(tài)金屬來改善可穿戴電子設備中機械刺激的低功耗檢測。這種增強的基本機制是集膚效應的幾何調(diào)制，它導致電流在液態(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)上是無法區(qū)分的。在這里，他們通過有限元仿真研究這種方法。最后，他們通過實驗演示了可穿戴觸覺手套裝置和可穿戴呼吸傳感帶中的交流電阻傳感，驗證了低功耗拉伸和壓縮的多模式檢測性能。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和生物醫(yī)學傳感的新一代高效節(jié)能可穿戴設備的開發(fā)。

圖1 柔性電子器件應用的液態(tài)金屬填充導體的有限元分析仿真交流電阻

圖2 交流增強液態(tài)金屬傳感器制造和手勢跟蹤實驗

圖3 實驗交流電阻的建模和低功耗可穿戴呼吸傳感帶的演示