天津工业大学杨光课题组《CEJ》：兼具高灵敏度和方向识别功能的透明柔性应变传感器

近年来，满足人体运动检测、健康监测、人机交互等领域需求的可穿戴柔性应变传感器受到了极大的关注，其中电阻式应变传感器因具有易制备、可读性强、灵敏度可调等特点，因此在可穿戴传感领域具有巨大的应用前景。然而，近年来柔性应变传感器虽然在传感性能增强方面取得了很大进展，但大多数传感器只能检测预设方向的应变，不具有方向识别能力。因此，一旦发生离轴应变，应变传感器的电信号就会受到影响，导致应变计算不准确。此外，“隐形”和“无感”是未来柔性传感器的重要特征，该特性可增加穿戴者的舒适度和美感，这就要求传感器具有高透明性和柔性。

针对上述挑战，天津工业大学杨光课题组报道了一种基于静电纺氧化锡锑纳米纤维（ATO）的高灵敏度、方向识别、透明柔性应变传感器。基于单层定向ATO纳米纤维制备的应变传感器不仅展示出了高透明度（透光率~80%）和出色的传感性能（包括高灵敏度、高线性度、低滞后、良好的重复性和耐用性），更重要的是传感器显示出显著的各向异性传感性能，实现了其不受干扰的单向传感能力，即仅响应沿纳米纤维方向的应变。基于这些优异的传感特性，作者进一步设计双轴ATO纳米纤维膜，开发出了方向识别应变传感器，实现了多自由度应变的准确计算。这项工作为开发方向识别透明柔性传感器提供了一种新的思路，极大地提高和拓展了柔性传感器在复杂人体运动监测和人机交互中的应用。

【各向异性传感器的合成】

图 1a展示了基于ATO纳米纤维制备各向异性单层应变传感器的过程，该过程涉及通过溶胶-凝胶静电纺丝技术制备纳米纤维前驱体、煅烧处理制备导电ATO纳米纤维膜以及后续PDMS柔性基体对纳米纤维的封装。作者首先制备了SnCl4·5H2O/SbCl3/PVP混合溶液，通过静电纺丝技术获得了定向ATO纳米纤维前驱体（图1b和图2a）。随后在空气环境下对前驱体膜进行煅烧处理（以 1 °C/min的速率加热至700 °C），在此煅烧过程中 PVP 载体完全分解，形成厚度约10 μm的柔性导电ATO纳米纤维膜（图1c和图2b-d）。最后，ATO薄膜连接铝箔电极并用柔性PDMS封装，即可制备出各向异性柔性应变传感器（图1d,e）。从图1f,g可以看出，该柔性应变传感器具有很高的透明度，可见光透过率达到了80%以上。

图1 各向异性柔性应变传感器的制备工艺与表征

图2（a）前驱体纳米纤维和（b-d）ATO纳米纤维表征

【单层ATO传感器的传感特性】

从图3b可以观察到，PDMS基体的高弹性赋予柔性传感器高形变恢复能力，同时定向ATO纳米纤维传感器也表现出很高的灵敏度（GF=250）。值得注意的是，定向ATO应变传感器的传感性能呈现出高度各向异性，即在沿着纳米纤维方向的应变下，传感器电阻变化随着应变成线性迅速增加，灵敏度GF高达250；然而垂直于纳米纤维的应变对传感器电阻影响很小，对应最大GF仅为 1.2（图3c）。两个方向巨大的GF差异表明传感器具有的单向传感能力，即传感器只响应纳米纤维方向的应变，其传感特性不受横向应变的影响（视频1）。另外，柔性传感器也展示出了低迟滞性、优异的重复性和耐久性（图3d-f）。

图3 单层ATO传感器的拉伸传感特性

【方向识别传感器的制备与传感特性】

尽管单层ATO应变传感器很容易计算出有效应变（即沿纳米纤维方向的应变），但仅从其单个电阻信号无法预测实际应变大小和方向。为了获得方向识别的应变传感器，作者进一步用 PDMS 封装了正交堆叠ATO 薄膜，从而制得了双轴应变传感器（图 4a），具有这种结构的应变传感器可以独立提供正交轴上的有效应变（表示为 and ），进而计算出实际应变的方向和大小。如图4b所示，当从0°, 45°和90°方向施加外力时，通过x轴和y轴的电阻信号计算出的角度分别为3.4°,44.2°, 和85.7°，这与实际应变方向基本一致。同时，通过双轴传感器的电阻信号计算出的应变大小与实际应变也非常吻合（图4b），这说明本工作开发的双轴应变传感器能够有效准确地测量应变大小和方向。

图4 双轴应变传感器的传感特性

【方向识别传感器的应用】

基于柔性传感器的超高灵敏度和方向识别功能，作者将柔性传感器贴敷于手面，以期实现运动姿势监测，提高运动员表现。如图5a，b所示，当武术运动员的手型在掌、爪、拳之间变化时，柔性双轴传感器展示出来不同的电子信号，综合两个电信号的强度变化，很容易判断手部动作是否达到标准。同时，作者也展示了柔性传感器在智能显示织物上的应用，柔性传感器不但能够识别多方向应变，而且其透明性对织物可视化信号传递无任何影响（图5c，d）。当方向识别传感器应用于人机交互领域时，双轴传感器也可以作为控制装置，通过电子信号的输入，引导目标物体在平面中自由运动（图5e）。

图5 柔性传感器在可穿戴领域中的应用

以上工作近期以题为“Highlysensitive, direction-aware, and transparent strain sensor based on orientedelectrospun nanofibers for wearable electronic applications”的论文发表在Chemical Engineering Journal，天津工业大学杨光教授为第一作者兼通讯作者，研究生唐薪潮为第二作者，闫静副教授为共同通讯作者。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.135004

来源：高分子科学前沿