IEC 63203-401-12023 可穿戴电子设备和技术.第401-1部分设备和系统功能元件.可拉伸电阻应变传感器的评估方法标准立项发展报告

可穿戴电子设备和技术第401-1部分：设备和系统：功能元件——可拉伸电阻应变传感器的评估方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:WearableElectronicDevicesandTechnologies-Part401-1:DevicesandSystems:FunctionalElements-EvaluationMethodoftheStretchableResistiveStrainSensor摘要关键词：可穿戴电子设备；可拉伸电阻应变传感器；评估方法；国际标准；柔性电子；IEC63203Keywords:Wearableelectronicdevices;stretchableresistivestrainsensor;evaluationmethod;internationalstandard;flexibleelectronics;IEC63203一、引言1.1标准立项背景可穿戴电子设备作为新一代信息技术的重要载体，正在深刻改变人类与数字世界的交互方式。近年来，随着材料科学、微纳制造和柔性电子技术的跨越式发展，可穿戴设备已从简单的计步器和心率监测器，演进为能够持续监测人体生理信号、运动状态和环境参数的多功能智能终端。在此技术浪潮中，可拉伸电阻应变传感器凭借其优异的柔韧性、延展性和生物相容性，成为智能服装、电子皮肤、运动监测、医疗康复等应用场景中的核心感知元件。然而，与产业快速发展形成鲜明对比的是，可拉伸电阻应变传感器的性能评估长期缺乏统一的技术标准。不同制造商生产的传感器在灵敏度、量程、迟滞、耐久性等方面存在显著差异，而各企业和研究机构多采用自有测试方法，导致产品性能参数缺乏可比性。这一问题不仅使用户在选择和应用传感器时面临困难，也严重制约了传感器产品的跨区域流通和规模化应用，成为制约可穿戴电子产业纵深发展的关键瓶颈。正是在这一背景下，国际电工委员会（IEC）启动了IEC63203-401-1标准的制定工作。该项标准旨在建立一套统一的、可操作的可拉伸电阻应变传感器评估方法规范，为全球范围内该类传感器的性能测试提供标准化框架。1.2标准化技术组织IEC（InternationalElectrotechnicalCommission）成立于1906年，是制定和发布国际电工电子标准的权威组织，其成员覆盖全球170多个国家和地区。IEC63203系列标准由IEC/TC124（可穿戴电子设备与技术委员会）负责归口管理。TC124成立于2017年，专门致力于可穿戴电子设备领域的标准化工作，其工作范围涵盖可穿戴设备的术语定义、可靠性测试、功能元件性能评估、系统互操作性及安全要求等方面。TC124下设多个工作组（WG），其中WG3负责可穿戴设备功能元件的测试与评估方法标准制定。IEC63203-401-1标准即由WG3主导研制，来自中国、韩国、日本、德国、美国等主要成员国的技术专家深度参与了该标准的起草与讨论工作。经过多轮国际研讨会和技术论证，该标准最终于2023年10月正式发布。二、标准主要内容2.1标准范围与定位IEC63203-401-1:2023标准属于IEC63203系列标准的子标准，在标准体系中归属于第401-1部分，即针对可穿戴电子设备与系统中功能元件——可拉伸电阻应变传感器的评估方法规范。该标准适用于以电阻变化为传感机制、可在拉伸形变条件下工作的应变传感器，涵盖传感器的基本结构、材料类型及应用形态，但不限定具体应用场景，以保证标准的通用性和广泛适用性。该标准在IEC63203标准体系框架中处于承上启下的关键位置：向上承接系统层面的设备可靠性要求，向下衔接具体传感器元件的性能表征方法。其所定义的评估方法既可用于设计验证，也可用于批量生产的质量一致性检验。2.2评估指标体系标准围绕可拉伸电阻应变传感器的核心性能维度，建立了系统化的评估指标体系，主要包括以下几个方面：（1）灵敏度（应变系数）评估灵敏度是可拉伸应变传感器最重要的性能指标之一，表征传感器电阻相对变化率与施加应变之间的比例关系。标准明确规定采用应变系数（GaugeFactor,GF）作为灵敏度的量化指标，并制定了详细的测试规程。测试要求在规定的环境条件（温度23°C±2°C，相对湿度50%±10%）下，以标准化的拉伸速率对传感器施加逐级递增的应变，同步记录电阻变化数据，通过线性回归分析确定应变系数值。（2）拉伸循环稳定性评估针对可穿戴设备长期使用的实际需求，标准规定了循环拉伸条件下的稳定性测试方法。测试要求对传感器施加指定的循环应变载荷（如10,000次或100,000次循环），在设定的应变幅值和频率条件下持续运行，并在预设的循环次数节点（如100、1,000、5,000次等）进行中断测试，记录电阻基线漂移和灵敏度衰减情况。通过该评估可获得传感器的疲劳寿命和长期可靠性数据。（3）响应特性评估标准还涵盖传感器的动态响应特性评估方法，包括响应时间、恢复时间、频率响应等参数。测试采用阶跃应变加载方式，通过高速数据采集系统记录传感器的电阻瞬态变化曲线，由此确定其响应特性是否满足特定应用场景（如人体运动监测）的要求。（4）环境适应性评估考虑到可穿戴设备可能在多种环境条件下工作，标准还规定了温度、湿度等环境因素对传感器性能影响的评估方法，包括不同温度条件下的灵敏度变化率、高湿环境下的稳定性等辅助测试项目。2.3测试样品与设备要求标准对测试样品的制备提出了明确要求。传感器样品的结构类型、传感材料、基底材料、电极配置等关键参数应在试验报告中完整记录。对于不确定的样品，建议依据IEC63203-101-1标准中关于可穿戴设备功能元件的术语定义和分类体系进行标识。在测试设备方面，标准对拉伸试验机的精度等级，位移控制精度、应变测量精度、电阻测量精度等方面分别给出了技术要求。推荐采用能够同步记录力学参量和电学参量的综合测试系统，以减小系统误差。2.4试验报告规范为保证评估结果的可追溯性和可重复性，标准对试验报告的内容进行了系统规范。试验报告应至少包含：传感器样品制备说明（材料、结构、尺寸）、测试条件记录（环境温湿度、加载速率、应变范围等）、各项性能指标的原始数据和统计分析结果、异常现象的记录与分析，以及测试设备信息和校准记录。这一规范要求为不同实验室之间的结果比对和数据互认创造了条件。三、标准技术要点分析3.1与传统应变传感器评估标准的差异与传统的金属箔式或半导体应变传感器评估方法（如ASTME251等）相比，IEC63203-401-1在评估理念和技术路线上存在显著差异。传统应变传感器以高刚性和高精度著称，其评估侧重于在小应变范围内的线性度和精度；而可拉伸应变传感器以柔性、可大变形为特征，其工作应变范围通常是传统传感器的数十倍以上（典型工作范围可达50%-100%应变）。这一根本差异决定了评估方法必须重新设计，包括：-加载方式：需考虑平面内单轴拉伸为主的多模式加载，同时兼顾弯曲、扭曲等复杂形变模式；-电极-传感界面：需评估电极与传感层在反复大变形下的界面可靠性；-黏弹性效应：柔性高分子基体往往表现出显著的黏弹性行为，对应变速率和加载历史较为敏感，标准相应规定了统一的加载速率和预处理流程。3.2关键技术创新IEC63203-401-1在方法学上的创新主要体现在以下几个方面：一是提出了统一的预循环处理流程，以消除传感器首次加载时的不可逆电阻漂移（即“老练”效应），确保后续测试数据的稳定性，提高了试验结果的可重复性；二是采用了灵敏度和循环稳定性的综合评价框架，兼顾了传感器的初始性能指标和长期可靠性表现，更好地反映了实际应用需求；三是引入了规一化电阻变化率的数据处理方式，降低了传感器初始电阻差异带来的数据离散程度，提升了不同产品间性能的可比性。3.3标准的可操作性与适用性在标准研制过程中，起草组充分考虑了不同技术路线（如炭黑/弹性体复合体系、金属纳米线/聚合物体系、液态金属体系等）传感器的性能差异，评估方法的设计应尽量保持技术中立性。标准中的测试参数（如应变幅值、循环次数等）可根据不同的应用场景等级进行选择，为标准的广泛适用提供了灵活性。四、标准制定的意义与影响4.1产业层面IEC63203-401-1标准的发布和实施对可穿戴电子产业具有深远影响。首先，统一的评估方法为传感器制造商提供了明确的产品性能标定依据，有助于企业优化产品设计、控制质量一致性；其次，标准化的性能参数使下游设备集成商能够在可靠的数据基础上进行传感器选型和方案设计，降低集成风险；再者，标准的国际属性为全球范围内的产品认证和贸易互认提供了技术基础。从市场角度看，该标准的实施有助于构建公平竞争的市场秩序，避免低质量产品以虚标参数的方式扰乱市场。同时也为高性能传感器产品提供了展示技术优势的制度化通道，有利于形成良性的产业生态。4.2技术层面该标准的研究和制定过程本身即是对可拉伸应变传感器技术现状的系统梳理和科学总结。标准中明确的关键性能指标和测试方法，也为该领域的技术研发提供了清晰的目标导向——科研人员可以针对标准中规定的性能维度开展材料创新和结构优化，使研究成果能够更顺畅地转化为满足标准要求的产品。这种“标准引领创新”的良性循环，对于正处于技术演进活跃期的柔性电子领域尤为重要。4.3社会与应用层面从社会价值的角度看，可穿戴电子设备在健康监测、远程医疗、智能运动等民生领域的广泛应用，直接关系到公众的生活质量和健康管理。统一可靠的传感器性能评估方法，有助于提升可穿戴设备的整体质量水平，增强消费者对相关产品的信任度和接受度。在医疗健康这一对数据准确性要求极高的应用领域，标准化评估方法更是保障设备可靠性的重要制度支撑。五、主要起草单位介绍5.1单位概况与核心贡献IEC63203-401-1:2023标准的制定汇聚了全球多个国家和地区的科研机构与产业力量。在众多参与单位中，韩国电子技术研究院（KoreaElectronicsTechnologyInstitute,KETI）作为IEC/TC124的积极成员和WG3工作组的核心技术支撑单位，在该标准的研制过程中发挥了关键的引领作用。KETI成立于1991年，是韩国国家-funded电子信息技术专业研究机构，长期致力于电子核心元器件、智能传感器、柔性电子系统等领域的技术研发与标准化工作。KETI在可拉伸电子领域拥有深厚的技术积累，建设有完善的柔性电子器件制备与测试平台，在可拉伸传感器的材料体系、结构设计、封装工艺和可靠性评估等方面取得了大量研究成果。在IEC63203-401-1标准的制定过程中，KETI承担了多项核心技术工作。KETI研究团队基于其长期积累的可拉伸传感器测试经验和大量实验数据，系统提出了灵敏度评估中关于预循环处理、应变加载速率、数据采样频率等关键测试参数的技术建议；同时主导了标准草案中关于循环拉伸稳定性的测试规程架构设计，包括循环次数设定方案、中断测试节点安排以及数据记录与处理规范。此外，KETI还协调组织了多项国际实验室间的比对验证研究，为验证标准中测试方法的可行性和可重复性提供了关键实验支撑。5.2中国参与力量在IEC63203-401-1的制定过程中，中国的标准化机构和科研力量同样发挥了积极作用。中国电子技术标准化研究院作为IEC/TC124的国内对口单位，组织了国内柔性电子领域优势单位参与标准研讨，并针对标准中的测试方法验证、样品制备等方面提出了技术建议。清华大学、天津工业大学等高校和科研机构也在标准草案的技术讨论中贡献了来自基础研究和应用实践的专业意见。六、结论与展望从技术趋势来看，随着材料科学和制造工艺的持续进步，可拉伸应变传感器的性能将不断提升，新的传感机制和器件结构也将不断涌现。未来的标准化工作需要在现有基础上进一步拓展，包括但不限于：多轴应变条件下传感器各向异性响应的评估方法、弯曲和扭曲复合形变模式下的性能表征、传感器与无线传输模块集成后的系统级验证方法，以及面向医疗级应用的环境稳定性与生物相容性评估规范等。同时，标准的实施和推广仍需各方持续努力。IEC/TC124应加强与其他相关标准化技术委员会（如ISO/TC94个人安全防护、ISO/TC150医疗器械等）的协调与协作，扩大标准的行业覆盖面；各成员国应积极推进标准的本地化采用和宣贯培训，提升产业界对标准技术内容的认知程度和执行能力；相关检测认证机构应加快建立符合该标准要求的测试能力和服务体系，为产业提供便捷高效的合规评价通道。可以预见，随着IEC63203-401-1标准在更大范围内的深入实施和持续完善，可穿戴电子设备的传感器性能将有据可依、有据可比，产品可靠性和互操作性将不断提升，一个更加规范、透明、充满活力的全球可穿戴电子产业生态必将加速形成，为智能健康时代的全面到来奠定坚实的技术基础。参考文献[1]IEC63203-401-1:2023,Wearableelectronicdevicesandtechnologies-Part401-1:D