前言

柔性电子器件的发展在人机应用(例如，可穿戴电子器件、软皮机器人和医疗保健系统)中受到了极大的关注，因为它们具有高度的可变形性和适应性。多年来，已经提出了许多灵活的电子技术，包括用于检测电阻变化的聚酰亚胺和镍铬基应变传感器，将碳或银纳米线植入弹性体中作为压力传感元件，以及使用压电效应进行全身压力和温度绘图的基于螺旋形硅膜的电阻测量系统。然而，由它们的固态材料产生的传统柔性电子器件的特性(即，硬度、脆性、低柔性和刚性)使得它们在不均匀的，可变形和柔软的表面(例如，人的皮肤)得以应用。因此，近年来的许多研究努力已经推动了致力于提供新颖特性(即，可拉伸性、高柔性和顺应性)的液态金属基柔性电子器件的概念。

研究内容

本文展示了一种用于无线传感器应用的液态金属基微流体装置。所提出的无线传感器是通过应用电感电容谐振电路来设计的。液相色谱配置中的每个组件都使用光刻定义的PDMS微通道上的加林斯顿进行电连接。通过采用液态金属代替传统的固态金属材料，电子器件的柔性和拉伸性显著提高。PDMS的内壁用H2SO4处理，使得加利斯坦能在微通道中轻松移动。制作的柔性传感器充分利用了多层微通道，采用10匝电感线圈连接到每个电容板上。经过初步实验，通过评估关键参数，如压力加载和卸载测试、应变测试和人体运动监测，成功地确定了传感器的重要特性(即可靠性、灵活性、可重复性和再现性)。

实验方法

使用具有电容、压阻、摩擦电和压电传感机制的柔性电子设备实现了无线人体信号监测。其中，电容检测具有低压检测极限、短响应时间、高工作稳定性和低功耗等特点。它采用平行板可变电容的LC谐振电路作为传感元件，圆形螺旋线圈作为传感天线，基于电感耦合进行无线通信。圆形螺旋线圈对于可穿戴设备和皮下植入是可靠的，因为它们对横向线圈错位具有鲁棒性，并增强了线圈在空气和其他介质中的性能。另一方面，圆形电感线圈的设计受到形状、尺寸、间隔距离和匝数等多种因素的限制。为了优化传感器天线，设计并制造了具有谐振频率为495兆赫的5匝电感线圈的液晶电路。然而，频率范围为100千赫-500兆赫的网络分析仪(型号4395A)无法读取传感器的谐振频率。这可能是由于:1)谐振频率不在网络分析仪的范围内，或者2)传感器天线产生的功率不足以进行无线通信。在进一步的试验中，带有10匝感应线圈的传感器天线经过测试，被认为是测量系统的理想选择。

基于柔性微流控器件的无线电容传感器示意图。

未处理和H2SO4处理的长度为220毫米的PDMS微通道内的伽林斯顿运动

以加林斯顿为导电材料的PDMS微流控通道无线电容传感器制作示意图。

基于伽林斯坦电容传感器的无线通信特性。

结论

研究人员展示了一种灵活的基于微流体设备的无线电容传感器，它是使用Galinstan构建的，用于无线传感器应用。PDMS微通道用H2SO4处理，改善了微通道内部的非润湿性。传感器的机电性能通过应变范围为0%–30%的重复压力加载和卸载循环进行评估。此外，无线传感器固定在手腕和食指上，以测量不同弯曲角度下的人体运动。在0–200毫米汞柱的压力范围内测量的柔性传感器的灵敏度为5千赫/毫米汞柱，这是通过无线读出方法获得的。在空气介质的情况下，柔性传感器可以在高达10毫米的工作距离内实时检测压力变化。将空气介质中的压力传感器的灵敏度与水和盐水介质进行比较。最后，希望所提出的基于Galinstan的柔性压力传感器可以应用于各种领域，如无线人机界面和软皮电子设备。

https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112344。