本发明涉及含直线诱导的裂纹的高灵敏度传感器及其制造方法，更具体地涉及可应用于度量衡学或人造皮肤的高灵敏度传感器，这些使用形成有直线诱导的细裂纹的导电薄膜来高精度检测张力和压力。
背景技术：
一般而言，高灵敏度传感器是感测微小信号，并将该微小信号作为现代工业中所必需的组成部分之一的数据(例如电信号)进行传递。
在这些传感器中，电容传感器、压电传感器、应变计等已知是用于测量压力或张力的传感器。
传统张力传感器的应变式传感器是检测机械变化作为电信号的传感器。如果它粘附到机器或结构的表面上，则可以测量微小尺寸上的变化，即，可以发现在其表面上发生的应变(strain)，和对于从应变尺寸确定强度和安全性而言重要的应力。
此外，应变计用于根据金属电阻元件的电阻值变化来测量待测量对象的表面的变形，通常，当测量对象被外力而拉伸时金属材料的电阻值增加，而当它被压缩时金属材料的电阻值减少。应变计还用作将诸如力、压力、加速度、位移和扭矩等物理量转换成电信号的传感元件，并且不仅广泛地应用于实验和研究，还应用于测量控制。
然而，传统应变式传感器由于使用金属线而容易腐蚀，并且灵敏度较低。此外，传统应变式传感器的输出值小，因此需要额外的电路来补偿小信号，而且半导体张力传感器有热敏感的缺点。
压力传感器是一种能够测量施加于表面的压力的传感器，这是制造人造皮肤时的必要因素。应变表示施加于表面的水平方向上的长度变化，而压力表示垂直于表面施加的力。
传统的压力传感器测量随着压力变化的硅膜的电阻，并且不仅广泛地应用于研究和测量，还应用于工业。
然而，传统的压力传感器具有一个缺点，即由于它们非常不灵敏而不能区分小的压力，而且它们不能弯曲。这些缺点导致传统的压力传感器不适用于人造皮肤。因此，有必要制作一种可弯曲同时可感测小的压力的传感器。
由于上述问题，传感器可能仅在特定环境中被驱动或者受到各种环境因素的影响，导致测量值的准确行下降。另外，在重复驱动中存在难以确保某一测量值的问题。进一步的，这些传感器还存在由于传感器本身的结构问题而难以制造柔性结构的问题。
随着人们对可穿戴式医疗和人造电子皮肤装置以及高性能传感器开发的研究兴趣的增加，已开发出了各种类型的累积外部信息的基于纳米线、硅橡胶、压电和有机薄膜晶体管的压力传感器。
裂纹通常被认为是缺陷，所以被认为是要避免的。然而，最近报道了与裂纹、用于纳米线生产的薄膜开裂以及互连器(interconnector)等裂纹有关的研究。
此外，还报道了基于碳纳米管、纳米纤维、石墨烯薄片(grapheneplatelet)和机械裂纹的应变传感器。
裂纹传感器受到蜘蛛感觉系统的影响。已知蜘蛛的感觉传感器对应变和震动非常敏感。
裂纹通常被认为是应该避免的缺陷，但最近对裂纹的图案化研究已经报道了用于纳米线和互连器制造的薄膜裂纹形成，并且据报道与蜘蛛感觉系统类似的裂纹传感器对应变和震动非常敏感，但具有仅2％应变的限制。
因此，需要开发一种能够克服上述问题的新的高灵敏度传感器。
技术实现要素：
【技术问题】
本发明提供了一种高灵敏度传感器，该高灵敏度传感器即使在环境影响被最小化并反复使用的情况下，也能够由于测量值的灵活性而检测到施加于各个区域的张力和压力的变化，同时保持测量的准确性。
本发明的另一目的是提供一种制造高灵敏度传感器的方法。
【技术方案】
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高灵敏度传感器，所述高灵敏度传感器包括：
柔性支撑件，所述柔性支撑件具有形成在其中的孔图案；和
导电薄膜，所述导电薄膜形成于所述支撑件的至少一个表面上，
其中，所述导电薄膜包括线性诱导的裂纹，所述线性诱导的裂纹具有与所述表面的至少一部分相接触并且彼此面对面的裂纹面，
其中，所述裂纹面是由形成在所述柔性支撑件上的规则的孔图案线性诱导的，
其中，所述高灵敏度传感器通过测量所述裂纹面因外部物理刺激进行移动从而使接触面积变化、或者短路或再接触所引起的电变化，来测量外部刺激。
此外，本发明还提供了一种上述高灵敏度传感器的制造方法：
在柔性支撑件中形成规则的孔图案；
在所述柔性支撑件的至少一个表面上形成导电薄膜；及
拉伸所述导电薄膜，以在直线上诱导裂纹。
【有益效果】
本发明的高灵敏度传感器通过使用在支撑体的一个表面上形成有直线诱导的裂纹的导电薄膜，高灵敏度地测量张力和/或压力，本发明的高灵敏度传感器具有柔性并且可应用于各种领域。如上所述的这种高灵敏度传感器可以应用于高精度测量或人造皮肤，并且可以通过使传感器像素化而用作定位检测传感器，因此，可以在精密仪器、人体皮肤等活体测量装置、人的移动测试的传感器、显示面板传感器等领域中有效被利用。
此外，上述高灵敏度传感器可以通过简单的工艺进行批量生产，因此具有非常高的经济效率。
附图说明
图1是晶粒尺寸为1的裂纹唇缘模型。
图2示出了复平面的被完整轮廓线环绕的一部分。
图3是根据一实施例的裂纹传感器的制造过程的示意图。
图4是对根据一实施例的裂纹传感器进行拉伸之前和进行拉伸之后的传感器表面的变化(a，b)和导电薄膜上裂纹变化的sem图像(c，d)。
图5是示出了(a)施加张力前和(b，c)施加张力后沿裂纹的滞后开裂的sem图像。
图6是示出了在各种间隙长度下形成裂纹的样子的sem图像。
图7是示出了各种间隙长度下的裂纹形成图案的差异(a)和用于识别该差异的fem模拟结果(c)的曲线图(b，d)。
图8是不进行图案化、无序形成的基于裂纹的传感器的表面，和使用它测量的电阻变化的曲线图。
图9是示出了按照张力方向的电阻变化的概念图和曲线图。
图10是用于测量由压力和张力引起的变化的测力元件。
图11是示出了通过重复实验，按照变化率范围和再现性进行加载和卸载所引起的电阻变化的曲线图。
图12示出了按照变化率范围及其滞后，通过加载和卸载进行电阻变化测量的结果。
图13示出了通过将根据等式6的理论值与裂纹传感器所测量的实验值进行比较，而获得的归一化电阻vs应变曲线。
图14是示出了突变的反应速率的曲线图。
图15表示由0～10kpa的压力范围(a)、小蚂蚁的压力(b)和腕部脉搏的压力(c，d)的按压条件各自引起的电阻变化的实验结果。
图16示出了能够使用多像素阵列同时显示位置和压力的高灵敏度传感器，及使用它的测量结果。
具体实施方式
在下文中，将描述本发明的实施例以便于理解本发明。然而，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变和修改，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。很显然，这些改变和修改都落入所附权利要求书的范围内。。
最近，已经报道了一种基于机械裂纹的传感器，该传感器使用了对变形和震动具有高灵敏度的非裂纹并行系统。然而，为了实现超快速性能，必须通过形成裂纹的高度拉伸性和可控性来放大对力的灵敏度。
本发明提供了一种基于在规则的微型图案内诱导更准确的机械开裂的，廉价且超灵敏的应变和压力传感器。
根据本发明的传感器可以通过对装置表面上的孔进行图案化，将应力集中在孔周围的特定区域，并且可以由此准确地形成连接孔的均匀裂纹。
本发明的传感器是能够测量拉伸率并能够测量施加于表面上的压力的传感器。它可以在金属薄膜沉积在聚合物上之后，通过产生机械裂纹来制造。它可以有效地应用于可穿戴式健康保健，并且可以替代现有的扩展传感器或压力传感器。
在下文中，将详细描述根据本发明的实施方式的高灵敏度传感器，该高灵敏度传感器包括含裂纹的线性诱导的导电薄膜。
本发明提供了一种高灵敏度传感器，该高灵敏度传感器包括：
柔性支撑件，所述柔性支撑件具有形成在其中的孔图案；和
导电薄膜，所述导电薄膜形成在所述支撑件的至少一个表面上，
其中，所述导电薄膜包括线性诱导的裂纹，所述线性诱导的裂纹具有与所述表面的至少一部分相接触并且彼此面对面的裂纹面，
其中，所述裂纹面是由形成在所述柔性支撑件上的规则的孔图案线性诱导的，
其中，通过测量由接触面积的变化或短路或再接触引起的电变化来测量外部刺激，同时所述裂纹面按照外部物理刺激来移动。
另外，本发明还提供了一种上述高灵敏度传感器的制造方法：
在柔性支撑件中形成规则的孔图案；
在所述柔性支撑件的至少一个表面上形成导电薄膜；及
拉伸所述导电薄膜，以直线诱导出裂纹。
根据本发明的高灵敏度传感器可以通过在柔性支撑件上形成的孔图案形成裂纹，该裂纹沿孔图案在直线上均匀地形成，形成这种线性形成的裂纹可以提高传感器的灵敏度。
根据本发明的裂纹传感器的特征在于，当在柔性支撑体中形成的孔图案上形成的导电薄膜受到张力或压力的外部物理刺激时，应力集中于柔性支撑件中形成的孔的位置周围，从而可以沿孔和孔之间的接触表面均匀地形成裂纹。
如图4中相邻的(c)和(d)所示，以及如图7a所示，裂纹面形成在孔和孔之间，并且裂纹面的长度(g)可以具有连接一孔的中心与邻近孔的中心的直线长度(p)的50％或更长，优选60％或更长的长度。
如果g的长度小于p的长度的50％，则裂纹可能不会形成为直线。如图6a和图7a所示，因为若干裂纹形成了非直线的形状，所以可能降低灵敏度。
根据一个实施方式，孔图案可以是任何形状，例如圆形、椭圆形、矩形、菱形、星形、十字形等，优选如图4c和图4d所示形成的长菱形曲线，即具有四个顶点与四个弧(arc)组合的十字形或弯曲菱形可能是合适的。
上述孔图案在各顶点为裂纹的产生提供了方向性，从而对于均匀形成形状更直的裂纹来说是有利的。
如图4c和图4d所示，根据本发明的裂纹传感器是通过利用孔图案的外力将应力集中于两个相邻孔式风扇上而产生的，如图4d和图6b所示，裂纹可以在外力作用下沿着孔图案直线形成。
当对图案化的裂纹施加张力时，与张力所施加的力的轴线垂直形成的裂纹裂开，而平行(水平)形成的裂纹关闭。
如图4c所示，对紧闭的裂纹进行拉伸而使其变形，可以扩大裂纹之间的间距(如图4d所示)，以便可以降低裂纹面之间的接触面积，这样使电阻增加。由于裂开的裂纹面没有导电性，所以通过破裂使裂纹开裂可以迅速增加金属层的电阻。
裂纹唇缘之间的桥梁和金属接触很少会带来电阻的高应变灵敏性。
本发明的高灵敏度传感器可以在0至10％的应变下，表现出1～1×106的灵敏度(△r/r0)。
根据本发明的高灵敏度传感器的测量系数(gaugefactor)被定义为(△r/r0)/ε，并且在0至10％的应变范围内，测量系数可以为2×106或更大。
根据本发明的高灵敏度传感器可以在7至10kpa范围的压力下显示出2×104以上的灵敏度(△r/r0)，并且优选地，在8至9.5kpa范围的压力下显示出1×105以上的灵敏度。
本发明由于压力灵敏性而表现出高灵敏度，如图15c和图15d所示，其可通过附接到手腕来测量诸如脉搏等生理信号。图15c是将根据本发明的高灵敏度传感器附接到手腕来测量脉搏的结果，而且图15d意味着，根据本发明的高灵敏度传感器具有足以区分脉动的三个阶段，例如主波(percussionwave)、潮波(tidalwave)和舒张波(diastolicwave)之间的细小差异的高精度。
根据一个实施方式，外部物理刺激可以以各种角度施加于裂纹面，当所述外部物理刺激相对于施加在裂纹面上的力的方向上的力的轴呈垂直(90°)或45°的角度时，可以显示出更好的灵敏度。也就是说，当外部物理刺激对称且均匀地施加于孔图案的形状或由裂纹形成的导电薄膜的图案形状时，灵敏度可能更大。即，测量系数的变化可以更大。更优选地，外力可以在90°±10°的角度范围内施加至裂纹面。
高灵敏度传感器是如下的传感器，该传感器通过测量由于形成在导电薄膜上的裂纹根据张力或压力而被分隔开，导电薄膜的电阻发生的变化来测量外部张力或压力。
即，在导电薄膜上形成的裂纹中，存在彼此对置而至少一部分表面彼此接触的裂纹面。在施加例如张力或压力变化等外部刺激时，由于接触的裂纹面移动和接触面积变化，电阻发生变化或者形成电短路或开裂，从而使导电薄膜上的电阻值发生很大变化。通过对其进行检测，导电薄膜结构可以用作张力传感器、压力传感器等。
传统应变式传感器利用电阻随着金属薄膜被拉伸而增加。但是本发明利用了在金属薄膜中的裂纹间隙的扩大。随着裂纹间隙扩大，电气短路增加，电阻也急剧增加。由于上述原因，灵敏度远高于传统的应变式传感器。
根据一个实施方式，存在于导电薄膜中的裂纹可以根据形成在柔性支撑体上的孔图案而被线性诱导，并且裂纹的发生程度还可以依赖于导电薄膜的间隔、形状、厚度，形成条件等而变化，但并没有特别的限制。
在本发明的高灵敏度传感器中，柔性支撑件可以为选自由聚氨酯丙烯酸酯(pua)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)等组成的组中的任一种或其组合，并且最优选为聚氨酯丙烯酸酯(pua)。
在本发明的高灵敏度传感器中，优选导电薄膜为选自由au、ag、pt、cu、cr和pt组成的组中的任一种或其组合，并且最优选为cr/pt组合。
根据一个实施方式，导电薄膜的厚度不受限制，但优选导电薄膜具有足以通过例如张力和弯曲等机械方法来形成裂纹的厚度。形成这种裂纹的条件可依赖于导电薄膜和柔性支撑的类型而变化。
在本发明的高灵敏度传感器中，优选导电性薄膜的厚度为0.1nm～1μm，更优选为10nm～50nm，甚至更优选为20nm～30nm。另外，导电薄膜的杨氏模量可以是1010～1012。
在本发明的高灵敏度传感器中，高灵敏度传感器的测量系数可以是1×105至1×106(1至10％的张力范围)。测量系数指应变计的电阻变化与发生的应变的比率。
在本发明的高灵敏度传感器中，高灵敏度传感器的柔性意味着它可以弯曲到1mm或更大的最小半径。
根据上述特征，本发明的高灵敏度传感器可以应用于例如压力传感器、张力传感器、人造皮肤等各种领域，并且可以通过使传感器像素化而用作定位检测传感器。
在本发明中，进行了电阻vs.应变数据的理论分析，该理论分析的结果与变形不太大下的实验数据的结果一致。
本发明人发现了，基于在均匀的20nmpt膜上形成的平行裂纹的应变传感器的通用机制，其中均匀的20nmpt膜在低弹性的聚合物上发生开裂。在传感器中，自由裂纹通过产生大的单向应变的技术切割传感带。由下述等式(1)来定义的传感器的归一化电导svs.应变率ε根据在裂纹唇质检形成接触的裂纹唇上的台阶(step)的概率分布函数(pdf)p(x)所决定。
对于自由裂纹，表达式p(x)只有与尺寸相关的参数。
应变ε0对应于裂纹间隙的宽度kε0，且kε0是晶粒尺寸x0＝kε0。
p(x)＝p(1/x)/x2(2)
在上面的等式中，x＝ε/ε0，并且k是相对于应变率的裂纹间隙宽度而定义的比例系数。k可以依赖于构成平行裂纹系统的材料的不同而不同，其可以从实验中获得。
在物理上，等式2表明，由晶粒移位形成的裂纹体的小台阶的分布与由晶粒堆积形成的大台阶相同。这可能无法区分大的和小的迂曲(meandering)凸起，因为存在不具有任何长度特征的基底的大小和弹性区域。
对等式2的一个解决方案是选择对数-正态(log-normal)pdf
或几乎相同的对数-逻辑(log-logistic)pdf
在上面的等式中，μ和b是pdf的变量。
等式3的分布和等式4的分布全部属于具有所谓长尾(longtail)的不对称分布的类别。
形成的非零概率(除了裂纹唇缘之间的罕见接触之外)具有通过裂纹的传导机制的性质，因此与长尾分布一致。
等式3和等式1提供了作为如下应变函数的电阻r＝1/s，如下：
erf(x)是一个误差函数。公式5呈现归一化的电阻。归一化的电阻与具有高达2％应变率的实验结果非常相符。
同时，等式4的对数-逻辑pdf可以由等式1和下面的等式一起导出。
r＝1+(ε/ε0)b(6)
上述等式与拟合参数为ε0＝0.39和b＝2.39的实验一致，并且具有与等式5的对数-正态pdf相同的精度。
然而，等式6的幂律(power-law)函数比等式(5)的误差函数简单得多。
本发明可以为研究自由平行裂纹的实验者，提供用于数据拟合的通用指数规则。
令人惊讶的是，将均匀的pt膜条带变成在可拉伸多得多的聚合物上的图案化条带之后(图4a)，在5％以上的应变率宽范围内，电阻的应变率依赖性已经从等式6的指数律极大地变成至指数函数。图11d示出了在半对数图中出现的线性图案。
在此，解释了这种现象的基本机制。
在图5b和5c中示出了本发明和在先研究中形成的裂纹的重要差异。
在图案和斑块之间的裂纹紧密遵循着金属/聚合物膜上的皱褶的“顶部(crest)”。
也就是说，这意味着裂纹通道是非常直的，仅相邻的铂粒子沿着裂纹唇缘分离(图1)。
在这一方面，局部偏差与晶粒的大小有关，因此可能不满足自由裂纹产生的改变等式1。
另一方面，如图5b所示，图案块在变形方向上在水平和垂直方向上彼此压靠，这是由于作为橡胶样材料的固有性质的泊松(poisson)比为0.5。
因此，该系统通过位于当前一组水平对齐的矩形中的裂纹的切口，而在一维上几乎没有变化(参考图5)。
与本研究类似，计算台阶pdf是足够的。
根据图1，沿裂纹(裂纹轨迹)唇缘的各第i个粒子可以以1/2的概率和yi移位(在变形的方向上)上下移动。
裂纹步长指几个相邻的粒子通过向上(向下)的轨迹行进的距离。
如图1所示，例如，在一个方向上三个晶粒移动的总和产生x-尺寸的台阶。假设局部晶粒位移是以局部pdfp(y)分布的。
垂直移动至y1，...，y2的小台阶的、与归一化大小1邻近的晶粒可具有步长x的全局pdfp(x)函数。
在该等式中，
δ是δ函数，且n＝1,2,...。δ函数表示由正值n在满足表达式y1+‥‥+yn-x＝0的方向上的移动组成的台阶的精细pdf。
如假定的，根据上述等式，粒子上下移动的概率是1/2。
因此，如果将一个台阶定义为总体向上移动，那么n的小台阶的给定配置的概率与1/2n成比例。
然后，通过用δ函数的傅立叶积分重写等式7，
或者，可以将公式9a简化如下，通过每个yi进行独立积分。
在该等式中，
等式9的几何级数可以直接转换为下面的等式11。
一般而言，可以分析方程11的柯西(cauchy)积分。
可以示出，函数p(x)在大的x值下的崩溃(collapse)可能几乎是指数式的，并且几乎与p(y)的特定形式无关。
p(x)～exp(-z0x)对于x＞＞1且z0＞0(12)
如果一个极点在等式11的分母中起到主要作用，
等式13中的最低实际值z0>0。
所有其它极点(等式13的所有解)可能是复杂的，并且可以被放置在复平面的底部(参见图2的示例)。
等式10表明单个纯虚数极点，α＝-iz0，总是存在的，否则等式10的积分在上半部分具有极点时不可能等于2。
事实上，如果α＝-iz0且|exp(iay)|＝|exp(-z0y)|≤1，并且如果不能求值大于1的等式10的积分f(α)，这是因为该积分包含归一化的概率函数，对于等式10中的所有y，即使|exp(iαy)|恰好为1，也仅给出为1的最大值。
然而，由于f(α)＝2>1，所以不满足等式13。
便利地，通过在底面(图2)中通过无限大的半圆来关闭等式11的柯西(cauchy)积分积分形状，而获得作为剩余极点的和的p(x)，以极点-iz0为主的指数项的最大值为将在大x中占主导地位。如果用这个极点来限制自身，则可以获得归一化的概率。
p(x)＝exp(-z0x)z0(14)
从等式1可以看出，电导s不仅处于高应变率，
它也是由电阻引起的应变的指数函数。
r＝1/s＝exp(z0ε)≡exp(ε/ε0)(16)
幂律函数和指数函数是等式6和等式16之间的差异。
就假定任何晶粒的位置彼此相邻的p(y)＝1的最常见例子而论，在图1中，晶粒(grain)的均匀分布沿着裂纹唇缘移动。在这种情况下，等式10改进了下面的等式17，
f(α)＝(exp(iα)-1)/iα(17)。
那么，等式13具有以下形式。
2z0+1-exp(z0)＝0(18)
等式(17)的解可以用数字来确认。最低z0＝1.256，并且其它极点为2.789±7.438i，3.360±13.866i...(参见图2)。
图13提供了用归一化电阻vs.p(y)＝1，连同等式16(黑线)的纯指数函数计算的应变率(红线)，以查看实验数据和理论之间的对应关系。另一方面，在渐近(asymptotic)等式16中，例如，应变应重新调整α＝7次，以便应匹配由晶粒的均匀pdf计算的电阻vs.应变，以及图11d中的实验的线性斜率一致。
从物理上讲，这意味着晶粒的移动被限制在30％，从而使裂纹唇缘平滑。
因此，通过增加半对数尺度(semi-logarithmicscale)处的电阻斜率，电阻反应就好像它被平面化了一样。
这些参数测量裂纹唇缘的平坦度。
从图1中可以看出，台阶投影的最大斜率受到α的限制，α是最大倾斜角的切线。
p(y)＝1时的最大倾角为45度(°)，切线α＝1。
当然，如果裂纹唇缘完全平坦，同时α＝0且没有任何移动，则它们可以具有突然分离开的裂纹和r/r0的无限斜率。
根据图2e的拟合，以％为单位测量的应变参数为
通过这种接近的近似，能够计算出特定的晶粒尺寸x0。
根据sem图像，间隙的距离x与应变x＝kε成比例，其中k≈50nm，且ε以％表示；并且粒度x0＝kε0＝30nm可以与粒状pt膜的初始粒度分量非常接近。
【发明详述】
在下文中，将描述本发明的实施方式以便于理解本发明，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化对于本领域技术人员来说显而易见的。显然，本发明在权利要求的范围内。这些修改和变化都落入所附权利要求书的范围内是显而易见的。
<实施例1>基于感应裂纹的高灵敏度传感器的制造
如图3a～3c所示制造裂纹传感器。
具体来讲，使用等离子体表面处理机cute-1mpr(femtoscienceinc.)，用氧等离子体处理涂覆有旋涂层的100μm聚二甲基硅氧烷(pdms)，并将其粘合在玻璃上。将20μl聚氨酯丙烯酸酯(pua)滴在pdms/玻璃模具上后，覆盖填料图案化的硅酮模具并用350nmuv(约12mj/cm2)照射。通过热蒸发器(selcosinc.)进行热蒸发来形成10nm图案化的铬层，并沉积溅射的20nm铂层。将沉积了金属层的pua膜小心地从pdma/玻璃模具中取出来，然后使用定制的拉伸器在x/y方向上拉伸5％。图4中示出了拉伸前后的裂纹传感器。
然后，使用导电聚合物连接电线，以便电信号可以连接到传感器。这样制造的高灵敏度传感器示于图4和图5中。图4和图5示出了随着变形施加于高灵敏度传感器，裂纹变宽。
<实施例2>多像素阵列样品的制造
为了证明用于检测机械震动和压力的装置的可伸缩性和能力，如图16b所示，在6×6cm2的区域上设置了16像素(4×4像素阵列)的传感器网络。图16a和图16a示出了多像素系统的示意图。每个像素(1×1cm2岛)由具有孔图案的100μm厚的pua/10nmcr/20nmpt构成，然后被双向拉长和伸展10％以产生裂纹。开裂的pt与基于labview的pxi-4071系统(niinstrumentinc.)之间的电连接是通过使用阴影标记法沉积在pet膜上的金线(au，50nm厚)形成的。以独立方式通过导电聚合物(cw2400，电路工程)或通过金线进行电连接，将每个制造的像素放置在pet膜上。
<实验例1>根据裂纹间隙的长度测量电阻变化(测量系数)
为了确认使用实施例1的高灵敏度传感器的直线裂纹的效果，通过使用三种不同的孔图案来形成裂纹。
如图7a所示，p是孔中心相距的最短距离并且在所有三个测试图案中都是相同的，g是间隙的长度，并且间隙表示孔的尖端之间的最短距离。
当g的长度为10μm、15μm和20μm时，在图6a和图6b以及图7a～7d中示出了裂纹形成图案和电阻变化。
图6a表明，当间隙g的长度为10μm和15μm时，可以诱导出几个裂纹，而图6b表明当g为20μm时，会产生非常直的裂纹。如图6a所示，出现许多不完整的裂纹可能降低对电阻变化的灵敏度，并且这些结果示于图7b和7b中。
为了理解这种非均匀性，我们进行了有限单元法(fem)模拟，模拟结果示于图7c中。图7c中的结果表明，狭窄的图案间隙产生更宽的高应力分布，从而刺激裂纹出现在间隙距离的各处中。另外，如果间隙长度g对于p没有足够的长度，则应力作用在的裂纹表面上发生裂纹的部分可能太宽，由此可以通过在各点产生应力来诱导裂纹。
当以直线引导时，根据本发明的裂纹传感器的裂纹是有利的，其在图7b和图7d的结果中示出。
另外，在图7b中，20μm处的电阻变化示出了比基于无序裂纹的传感器更锐利的曲线，这指示随着裂纹唇缘的距离变化而引起的电阻变化，并且直线裂纹更准确地对应于裂纹距离的变化。
<实验例2>根据拉伸角度测量电阻变化(测量系数)
为了证明依赖于实施例1中制备的高灵敏度传感器的单一参数(归一化的间隙尺寸x/x0＝kε/x0)的电阻的理论概念的可能性，对于归一化电阻vs.应变，我们以60至45°放置方形图案(如图9b所示)，以将其与90°的情况进行对比。实验结果示于图9c和图9d中。
通过回流到对数-对数坐标，在将应变调整到0.32之后，60度(°)的曲线对应于90度(°)曲线(参见图9c)。
在几何上90-60＝30，由于在样品正交方向上的变形导致额外的收缩，可以提供从x＝kε变形到sin(π/6)x＝k(0.5ε)或变形到高达k(0.32ε)或更高的间隙尺寸，因此，有效缩小适当的间隙尺寸(图9a)。
60°余角的差异在某种程度上可能与此有关，因为电导受到以30°穿过狭窄间隙的大部分传导通路的控制。
在相同角度45°的情况下，重标系数为0.7，因此sin(π/4)＝1/√2(图9c)。
图9d示出了以格子形式产生的裂纹的电阻随角度变化而变化的结果，当角度为90°时，示出了最大的电阻变化，并且电阻在45°和60°量级的变化。
因此，格子形式产生的裂纹形成方形片，而与这样的方形片被以相同角度对称的力被拉伸时相比，电阻变化更灵敏，这样一来，裂纹距离可以更有效地被扩大，(90°-拉伸角度)的差异造成的余角在45°或更大的角度处呈45°或更小的角度，由此，形成更窄的裂纹至裂纹的距离，能够显示出比45°低的电阻率。但是，这可能在接近90°角度时受到的影响较小。
<实验例3>通过应变变化测量电阻变化
通过施加电流，同时对其施加张力，来测量实施例1的高灵敏度传感器的电阻。具体而言，图11a至11d示出了在拉伸达到10％，然后回到原始状态即0％应变状态之后，所测量的电阻变化。图11a至11c是示出实施例1的传感器的滞后性和再现性的图。
通过定制的压力测试设备，固定实施例1的高灵敏度裂纹传感器。
对裂纹传感器施加持续压力，其中裂纹传感器是在基于图10的pxi-4071电阻仪器(niinstrument)和负荷元件(2712-041，instronco.)的labview(niinstrument)的基础上构建的。
图11a示出了在0～2.5％、0～5％、0～10％的应变率范围内，以5000重复循环测定的再现性测试的结果，图11b示出了在10％的应变范围内，5000次循环后的再现性。由此可以看出，根据本发明的裂纹传感器甚至在5000次或更多的重复测量之后，性能上几乎没有差异。
图11c示出了通过使用图10的负荷元件，在0～10％的应变率范围内重复进行1800次加载-卸载测试所获得的再现性结果。根据该图的结果可以看出，根据本发明的裂纹传感器表现出优异的再现性。
此外，如图11d所示，在将实施例1的传感器拉伸达10％并恢复至原始状态(即0％应变状态)后测量电阻时，发现电阻变化改变为高达初始电阻的约2×105倍，并且重复获得了相同类型的电阻变化。这是因为接触面积随着应变施加于彼此接触的裂纹表面而减少，并最终分离开，从而使得电阻突然增大。随着去除应变，传感器收缩，分隔开的裂纹表面彼此接触，并且随着接触面积增加，电阻恢复到它的原始状态。
<实验例4>通过应变变化测量电阻变化
图12a～12c示出了在0～2.5％、0～5％和0～10％的应变范围内，在加载和卸载测试中测量的测量电阻变化的图。
从图12a～12c的结果，根据本发明的实施例1的基于裂纹的传感器在加载和卸载过程中显示出很小的滞后，随着所施加的应变范围的增加，滞后现象有所增加。
图12c所示的图具有使用在五个样本中测量的值的平均值的标准偏差。
本发明进行了应变数据相对于电阻的理论分析(等式1～18)。图13显示了基于实验与理论上获得的数据，相对于电阻随应变率变化拟合的应变-电阻变化曲线的图。从上述结果可以看出，根据本发明的裂纹传感器在不太大的应变范围内，显现出与实验数据的结果几乎一致的图案。
图14是示出在发生突然变化时的反应时间的图，实验结果示出了反应在100ms内发生。从图14可以看出，应变速率的变化和电阻的变化显示出几乎相同的反应模式。
<实验例5>测量电阻随压力的变化
施加压力可拉伸样品并增加金属膜的电阻。
为了测量压力，将上述实施例1的基于裂纹的传感器安装在定制的机器上，并且可以使用电阻分析仪(pxi-4071，nationalinstruments)测量电阻数据。
使用图10中的负荷元件2712-041(instronco.)获得压力数据。
所获得的压力数据的电阻可以线性化为三个压力区域，其示于图15a中。图15a的图示出了三个压力区域：
1)在0～6kpa，斜率为606.15kpa-1；
2)在6～8kpa，斜率为40341.53kpa-1；
3)在8～9.5kpa，斜率为136018.16kpa-1。
与已经报道的研究中提到的压力灵敏度的最高性能(y.zang.etal.flexiblesuspendedgateorganicthin-filmtransistorsforultra-sensitivepressuredetection.naturecommunications,6:6269,doi:10.1038/ncomms7269)，0～5kpa范围的压力下的192kpa-1相比，该压力-电阻曲线的斜率显示出显著更好的灵敏度。
图15b示出了使用裂纹传感器测量对应于0.2pa压力的小蚁群(ponerajaponica，1mg)的结果，其结果表明根据本发明的裂纹传感器对压力表现出高度灵敏度。
将裂纹传感器安装在手腕上，以测量手腕脉搏的生理信号。
图15c和图15d是示出手腕脉搏的生理信号的图，图15d示出了图15c一部分的放大的结果。从图15d的图可以看出，根据本发明的裂纹传感器显示出能够测量手腕脉搏微小的三步变化的足够高的灵敏度。
<实验例6>通过高灵敏度传感器阵列测量位置和压力
为了证明传感器可伸缩性和空间分辨率以及压力感测能力，通过图16a中示出的实施例2的方法来制造多像素阵列。如图16b所示，基于裂纹的装置是高度柔性的，并且可能存在翘曲。
将lego形式的小片s、n、u小心地放置在实施例2的具有如图16c所示的像素阵列的传感器中，并且从该阵列传感器可以容易地检测到来源于其中的压力和位置。从该阵列传感器测量得到的结果示于图16d中。
虽然本发明已经参照其具体实施方式进行了具体的展示和描述，但是本领域技术人员应理解这些具体的实施方式仅仅是优选的实施方式。本发明的范围并不局限于此是显而易见的。因此，本发明的实际范围将由所附权利要求书及其等同物来限定。