CNT-PDMS基應(yīng)變傳感器在拉伸過(guò)程中表現(xiàn)出顯著的電阻變化，因?qū)щ娋W(wǎng)絡(luò)被破壞而導(dǎo)致電阻升高（圖1a）；在釋放階段，由于PDMS的粘彈性作用，CNT網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)較慢，產(chǎn)生信號(hào)漂移。同時(shí)，CNT-PDMS與電極間的弱界面易受損，進(jìn)一步引入基線噪聲并降低傳感器精度（圖1b）。為此，研究團(tuán)隊(duì)引入致密的Ag膜構(gòu)建雙相導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（圖1c），在拉伸過(guò)程中Ag膜開(kāi)裂成島，釋放后可重新連接。通過(guò)使用凹凸結(jié)構(gòu)電極（MTJ設(shè)計(jì)）和在PDMS下方粘附PET層，增強(qiáng)了電極的穩(wěn)定性（圖1d）。Ag膜高導(dǎo)電性在釋放階段主導(dǎo)了電阻變化，顯著抑制了漂移（圖1e），而應(yīng)變不敏感的電極-彈性體界面則保證了信號(hào)輸出的準(zhǔn)確性。制備過(guò)程中，利用模板澆注法形成榫卯結(jié)構(gòu)，電極置于中心，CNT-PDMS填充其中并熱固化，之后旋涂Ag納米顆粒油墨并低溫?zé)Y(jié)，最后將PET層貼附于電極區(qū)域（圖1f）。

圖1. 基于導(dǎo)電彈性體應(yīng)變傳感器現(xiàn)存問(wèn)題及低漂移傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入MTJ&PET結(jié)構(gòu)，有效降低了電極偏移帶來(lái)的噪聲，實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定的界面接觸（圖2a）。對(duì)比測(cè)試表明，采用傳統(tǒng)銀膠電極的傳感器在1 s內(nèi)電阻變化為0.174，而MTJ&PET結(jié)構(gòu)傳感器僅為0.006，界面穩(wěn)定性顯著提高（圖2b）。在動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程中，銀膠界面易破裂，產(chǎn)生嚴(yán)重噪聲（圖2c），而MTJ&PET界面即使在80%應(yīng)變下也保持穩(wěn)定。進(jìn)一步通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試評(píng)估了不同結(jié)構(gòu)對(duì)基線漂移（PBD）的影響（圖2d-e）。結(jié)果顯示，Ag/CNT-PDMS雙相分層網(wǎng)絡(luò)可顯著降低PBD，其中Ag/CNT-PDMS20表現(xiàn)最佳，平均PBD僅為1.91×10?2%，遠(yuǎn)低于單一CNT-PDMS結(jié)構(gòu)。Ag島的二維/三維形貌變化影響了電阻響應(yīng)與漂移行為（圖2f），粗糙表面形成的3D Ag島有助于降低基線漂移。通過(guò)有限元分析優(yōu)化了MTJ&PET的尺寸參數(shù)（圖2g-h），最終確定最佳設(shè)計(jì)為L(zhǎng)1=0.7 cm、L2=1 cm、L3=0.4 cm。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，優(yōu)化結(jié)構(gòu)下電極界面應(yīng)變僅為0.42%，有效提升了應(yīng)變環(huán)境下的信號(hào)穩(wěn)定性（圖2i-j）。整體結(jié)果表明，MTJ&PET結(jié)合Ag/CNT-PDMS雙相網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，大幅提升了柔性傳感器在大應(yīng)變條件下的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2. 雙相分級(jí)網(wǎng)絡(luò)和電極區(qū)域的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

燒結(jié)后的金屬銀納米顆粒的SEM圖像。

為了驗(yàn)證優(yōu)化的電極區(qū)域穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)制造了四種不同電極結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器，并進(jìn)行了連續(xù)拉伸和釋放測(cè)試（圖3a）。結(jié)果表明，W/O PET&MTJ 和 W MTJ 電極區(qū)域在80%和60%應(yīng)變下出現(xiàn)明顯變形，與仿真預(yù)測(cè)一致（圖3b）。缺乏PET支撐的W MTJ傳感器在60%應(yīng)變時(shí)發(fā)生斷裂，而W PET和W PET&MTJ結(jié)構(gòu)則在80%應(yīng)變下保持完整，說(shuō)明PET有效提升了局部彈性模量。在基線漂移測(cè)試中，W PET&MTJ傳感器表現(xiàn)出最小的漂移（圖3c），其釋放后阻值變化僅為0.072（圖3d），且在1.25秒內(nèi)快速恢復(fù)，恢復(fù)率高達(dá)99.999%。進(jìn)一步在不同拉伸速度（50–800 mm/min）下的測(cè)試中，傳感器依然保持了極低的基線漂移（圖3e–g）。得益于Ag islands的補(bǔ)償作用，傳感器能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)快速大幅度動(dòng)態(tài)應(yīng)變變化（圖3h,i）。

圖3. 高速連續(xù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變下的基線漂移特性測(cè)試。

受雙相導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的影響，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的應(yīng)變傳感器在拉伸過(guò)程中經(jīng)歷了三個(gè)階段的電阻變化（圖4a）。初期，連續(xù)的Ag薄膜主導(dǎo)導(dǎo)電，隨后Ag島與CNT-PDMS20并聯(lián)，最終隨著拉伸加劇，CNT-PDMS20成為電阻主導(dǎo)。傳感器在0–5%、5–12%和12–80%應(yīng)變區(qū)間的靈敏度（GF）分別達(dá)到7200、55442和10986，滿足大多數(shù)應(yīng)用需求（圖4b）。不同批次制備的傳感器在各階段均展現(xiàn)出良好的靈敏度一致性，且在靜態(tài)測(cè)試中呈現(xiàn)優(yōu)異的線性歐姆特性（圖S28）。即使在0.02%的微小應(yīng)變下，傳感器也能保持高信噪比和穩(wěn)定響應(yīng)（圖4c）?？焖倮鞙y(cè)試顯示其響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間僅為52 ms和60 ms，支持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（圖4d）。在不同拉伸速度下（20%應(yīng)變），傳感器保持穩(wěn)定的電阻響應(yīng)（圖4e），并在5000次循環(huán)測(cè)試中僅出現(xiàn)1.17%的微小偏移，顯示出優(yōu)異的耐久性（圖4f,g）。與已有PDMS基應(yīng)變傳感器相比，該傳感器在靈敏度和感應(yīng)范圍方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)（圖4h），展現(xiàn)了其在動(dòng)態(tài)應(yīng)變應(yīng)用中的巨大潛力。

圖4. 低漂移應(yīng)變傳感器的感應(yīng)機(jī)制和基本性能。

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的人機(jī)交互，研究團(tuán)隊(duì)基于提出的高靈敏度、低基線漂移應(yīng)變傳感器開(kāi)發(fā)了單通道手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)（圖5a）。傳感器固定在手背，通過(guò)監(jiān)測(cè)肌腱變化捕捉手勢(shì)動(dòng)作。手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)提取、信號(hào)轉(zhuǎn)換與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）預(yù)測(cè)。不同手勢(shì)過(guò)程中，阻值時(shí)間序列信號(hào)表現(xiàn)出顯著差異（圖5b），并通過(guò)連續(xù)小波變換進(jìn)一步增強(qiáng)（圖5d）。經(jīng)60個(gè)訓(xùn)練epoch后，CNN訓(xùn)練精度達(dá)到峰值，主成分分析（PCA）結(jié)果表明手勢(shì)特征具有清晰分布（圖5e, f），最終五類(lèi)手勢(shì)的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到98.2%（圖5g）。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，缺乏結(jié)構(gòu)優(yōu)化的傳感器信號(hào)噪聲較大，經(jīng)移動(dòng)平均濾波后準(zhǔn)確率仍?xún)H為51.3%，PCA顯示特征重疊明顯，CNN分類(lèi)失敗（圖5h–5j）。相比之下，本研究提出的低漂移傳感器結(jié)合手勢(shì)識(shí)別算法，在動(dòng)作意圖識(shí)別中展現(xiàn)出優(yōu)異性能，為人機(jī)交互應(yīng)用提供了可靠支持。

圖5. 基于單通道低漂移傳感器的手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用。

這項(xiàng)工作提出了一種具有雙相分層網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)定電極界面的協(xié)同結(jié)構(gòu)，以解決連續(xù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變下基于導(dǎo)電彈性體基應(yīng)變傳感器的基線漂移和噪聲干擾問(wèn)題。該傳感器具有高 GF（高達(dá) 55442）、低檢出限 （<0.02%）、出色的穩(wěn)定性（>5000 次循環(huán)）和快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間 （52/60 ms）。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，它可以實(shí)現(xiàn) 98.2% 的手勢(shì)識(shí)別準(zhǔn)確率。這種高靈敏度、低漂移的應(yīng)變傳感器在各種應(yīng)用中具有巨大的潛力。

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