研究背景

将机械变形转化为可测量的电信号的柔性应变传感器引起了巨大的关注，其在不同领域的潜在应用得到了充分的开发，如人体运动检测、软体机器人、个人健康监测和人机交互。由于易于制造、良好的可读性和可调整的灵敏度等优点，电阻式应变传感器在可穿戴传感设备中表现出更大的潜力。在大多数情况下，多自由度运动的方向性识别对应变传感器来说是至关重要的，尤其是在一些特定的领域，如电子皮肤、方向指示器等。然而，尽管在可穿戴应变传感器的传感性能提升方面取得了很大的进展，但这些应变传感器只能检测预设方向的应变，而不具备多轴运动的识别能力。拥有方向识别能力的困难来自于主应变方向和横向方向的电阻的强烈耦合变化。因此，一旦发生非轴向应变，应变传感器的电信号就会受到影响，导致应变的计算不准确。因此，为了满足需要定量测定复杂应变的特定领域的应用要求，设计一种具有可靠方向识别能力的单一应变传感器至关重要。

成果简介

天津工业大学杨光教授等人报告了一种基于电纺法制备的掺锑氧化锡取向纳米纤维(ATO-ONF)薄膜的高感应性能、方向感知和透明应变传感器。单层AT0-0NF应变传感器显示出显著的各向异性传感性能，即纳米纤维方向和其横向的GFs为250和1.2，表明实现了应变传感器的单向传感能力，即只对沿纳米纤维方向的应变作出反应。此外，这种应变传感器还表现出高透明度，透光率约为80%，并具有优良的传感性能，包括高灵敏度、高线性度、低滞后、良好的重复性和耐久性(>2000 次)。基于这些优异的传感性能，通过正交堆叠ATO-ONF薄膜，设计了方向感知的双轴应变传感器，其预测的拉伸应变的大小和方向与实际的应变非常一致。此外，还展示了方向感知应变传感器在人体运动监测和人机交互中的多自由度应用，显示了在下一代可穿戴电子设备中的巨大应用潜力。相关工作以“Highly sensitive, direction-aware, and transparent strain sensor based on oriented electrospun nanofibers for wearable electronic applications”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。

研究亮点

1、在定向电纺纳米纤维的基础上，制作了高性能和方向感知的应变传感器。2、基于单层纳米纤维的应变传感器显示出高度各向异性的感应性能，即在GF中为250对1.2。3、定向纳米纤维的单向传感能力使应变传感器的准确方向预测成为可能。4、开发的应变传感器在复杂的应变领域的应用得到了证明。

图文导读

Fig. 1. Fabrication of monolayer ATO-ONF strain sensors.

Fig. 2. SEM images of (a) precursor nanofibers and (b) ATO-ONFs. (c) XRD pattern and (d) EDS elemental (O, Sn, and Sb) mapping images of ATO-ONFs.

Fig. 3. (a) Directions of the tensile strains applied to monolayer ATO-ONF strain sensor. (b) Stress–strain curves of ATO-ONF strain sensor under loading–unloading cycles at different strains. (c) Relative resistance change of monolayer ATO-ONF strain sensor with the strains in the parallel and perpendicular directions. (d) Different strain-induced relative resistance changes in the parallel and perpendicular directions. (e) Hysteresis property of the strain sensor. (f) Stability characterization of the strain sensor under 2000 stretching-releasing cycles at 20% strain.

Fig. 4. The unidirectional sensing mechanism of monolayer ATO-ONF strain sensor: Illustration of morphological changes of ATO-ONFs under tensile strains (a) parallel and (b) perpendicular to nanofiber orientation directions.

Fig. 5. Accuracy verification of monolayer ATO-ONF strain sensor in detecting off-axial strains.

Fig. 6. (a) Structure of direction-aware biaxial strain sensor. (b) Sensing performance of biaxial strain sensor under the 20% strains with tensile directions of 0◦, 45◦, and 90◦ (b1) and comparison between the calculated and actual strains (b2).

Fig. 7. Application demonstrations of the direction-aware biaxial strain sensor.

总结展望

综上所述，作者提出了一种高透明、高灵敏度的柔性应变传感器，它具有基于单向传感ATO-ONF薄膜的多自由度方向识别功能。单层ATO-ONF应变传感器不仅具有高透明度，透光率高达80%，而且还表现出高度的各向异性感应性能，即对平行和垂直于纳米纤维方向的应变的GF为250和1.2。如此大的GF差异使ATO-0NF传感器被认为具有单向感应能力。基于这种单向传感功能以及其他优秀的传感特性，开发了一种方向感知的双轴应变传感器，通过理论计算可以实现应变的大小和方向，显示出与实际应用应变的良好一致性。这种独特的特性使得双轴应变传感器在可穿戴电子设备中具有很大的潜力，如附着在手部皮肤上检测手部动作的准确性，以及附着在智能显示纺织品上监测人体动作而不妨碍透光性。此外，还展示了应变传感器在人机交互中的应用，它成功地成为控制目标对象的输入设备。该方向感知透明应变传感器可能为开发更先进的柔性传感系统开辟新的机会,使其能够用于复杂的动态表面。

文献链接

Highly sensitive, direction-aware, and transparent strain sensor based on oriented electrospun nanofibers for wearable electronic applications, Chemical Engineering Journal 435 (2022) 135004.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135004