川大/东大/上海光机所/理化所合作《自然·通讯》：用于二维应变检测的太赫兹超构传感器阵列

具有高空间分辨率和方向识别的大面积柔性应变传感器阵列在可穿戴设备，物联网等领域具有很好的应用前景。然而，现有的应变传感器阵列通常无法实现准确的方向识别，并且需要在高空间分辨率和大面积传感之间进行权衡。目前，传统的基于电阻效应、电容效应和压电效应的应变传感器阵列通常将应变敏感结构、可拉伸电极和互连材料集成在一个狭小的空间中，因此面积可扩展性和检测分辨率（传感器密度）有限。除了考虑兼容阵列面积与传感器密度之间的关系外，还应将多向应变感知能力融合到传感器阵列中，以适应复杂应变情形。然而，现有的应变方向识别主要集中在离散点应变检测上，主要通过结构设计（如交叉应变传感器）和材料优化（如各向异性导电材料）实现。当集成传感阵列时，需要解决精确校准和多维信号解耦问题。综上，大面积、高传感密度的阵列集成往往伴随着制造难度和布线复杂度的提升，且传感元件之间存在信号串扰，导致应变方向识别仍具有挑战。

近期，四川大学、东南大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院理化技术研究所相关研究人员展示了一种基于Mie谐振的柔性超构传感器阵列，通过使用动态传输的太赫兹（THz）信号精确检测平面内应变方向和大小。该传感器阵列具有很高的传感器密度（~11.1 cm-2），且易大面积拓展制备，具有很好的应用潜力（图1）。相关成果以“A terahertz meta-sensor array for 2D strain mapping”为题发表在《Nature Communications》上，通讯作者为四川大学黄婉霞教授、东南大学程强教授和中国科学院上海光学精密机械研究所张琤研究员。第一作者为四川大学路学光博士和中国科学院理化技术研究所张飞龙研究员。

图1. 太赫兹超构传感器阵列示意图、检测原理及性能对比

内容简介

电磁波作为一种常见且重要的信息传递载体，具有固有的正交分布的电场和磁场分量，为实现多轴应变检测提供了更大的自由度。而超材料具有灵敏电磁波响应特性，能够在其表面支持显著的局域场增强，对周围环境的变化极其敏感，进而将应变信息转化为谐振频率或强度的变化。在构建连续大规模阵列和基于电磁场的应变响应传感方面具有优势。

基于经典米氏共振理论，高介电微球在电磁波作用下会产生不同工作频率的电偶极子（ED）和磁偶极子（MD）谐振，且两者的场呈正交分布（图2），互不影响。这种正交场响应可以看作是双向应变检测的基础。当微球组成四方阵列，相邻微球的电磁耦合作用使得其频率与相邻微球的距离有着一一对应关系，应变改变微球间距对这两种共振进行无干扰调谐（ED谐振、MD谐振分别对磁场方向（ x）、电磁方向（ y）敏感，且两者具有很好的独立性），理论上就可以实现双向应变传感。

图2. Mie氏共振及其阵列分析研究

基于上述原理和设计策略，研究人员制备了由嵌入弹性PDMS衬底的氧化锆（ZrO 2）微球阵列共同组成超构应变传感器（图3a）。其中，微球阵列采用了一种简单的微模板辅助组装工艺，通过这种策略，我们的传感器阵列可快速制备、灵活扩展。

这种传感器表现出较好的正交应变方向独立性： x方向应变下，ED共振向低频移动，MD共振频率稳定； y方向应变下，MD共振向低频移动，ED共振频率稳定。此外，研究人员还探究了该传感器的拉伸极限（ x方向65%； y方向70%）和灵敏度（ x方向~0.413； y方向~0.09）。

图3. 单向拉伸应变检测性能评价

在此基础上，研究人员进一步探究了传感阵列同时加载两个正交的外力的情形，以期基于正交分解特征，评估其任意方向应变检测性能（图4）。结果表明该传感器仍表现出良好的独立、无干扰地监测正交应变的能力。因此，平面任意点的应变大小和方向则可以利用测得的正交分量推算出。通过建立ED/MD共振频率与水平（x）/垂向（y）拉伸方向的对应关系，研究人员验证了传感阵列5个应变方向（15°、30°、45°、60°、75°）的识别能力（图4），实验测量值与设定值非常匹配。

图4. 双向拉伸应变和应变方向检测性能评价

该传感器还展现出高分辨率映射平面内应变分布的能力，在二维太赫兹扫描平台的帮助下，研究人员对经受复杂应变的样品进行了应变空间分布检测（图5）。根据建立的应变幅值与频移之间的关系，得到试样的表面应变状态如图5d，与通过可视化数据计算得到的实际施加的应变分布情况相符（图5c）。此外，考虑到避免环境干扰（如灰尘和水），研究人员还将超疏水表面处理技术与该传感阵列制备工艺兼容，赋予了超构传感阵列自清洁能力。

图5. 拉伸应变映射性能评价

总结

总之，该超构传感阵列提供了一种大面积、高分辨率映射二维平面上的应变的方向和大小的新策略。该策略同样适用于反射型超构应变传感器，为解决传输型传感阵列在面临太赫兹信号难以透过情景下的限制提供了可能。该策略有望进一步丰富和扩展太赫兹超构传感器的功能，相信在不久的未来将会有更多的实际应用。

原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47474-3

来源：高分子科学前沿

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