应变传感器

摘要\n近年来，可固定在人体皮肤上进行运动监测的应变传感器引起了相当大的关注。本研究将核桃壳粉碳化后与聚二甲基硅氧烷混合，再进行封装，制备了一种高柔性应变传感器。对所得到的传感器进行了电学和传感性能测试。实验结果表明，该传感器在0 % ~ 40 %应变响应范围内稳定可靠，而传感器的有效工作频率在0.01 ~ 0.5 Hz范围内。而且，碳化后的核桃壳粉/ PDMS预聚体及其固化剂( PDMSCA )应变传感器表现出优异的抗疲劳性能。拉伸1000次循环后无明显衰减现象。然后将应变传感器连接到志愿者的喉咙、膝盖、肘关节和手指关节上。相应的人体运动决定了明显的传感响应和重复性。本工作提出了一种基于环境友好材料的新型柔性应变传感器，通过简单的制备方法得到。因此，这项工作可以为开发新型有效的应变传感器开辟新的途径，以成本有效的炭化材料为填充材料。

作者提出了一种基于Ⅱ - Ⅵ化合物组成的纳米线的柔性微谐振器，用于检测外界运动引起的微小应变。将纳米线环谐振器嵌入到聚二甲基硅氧烷( PDMS )柔性体中，以提高耦合效率。本工作将CdS纳米线制备在PDMS柔性衬底上。在纤维尖的帮助下，在显微镜下操纵单根纳米线，使弯折线成环形，使凋落物重叠。这种重叠提高了耦合效率和传感器性能。环形腔直径为1 µ m，长度为75 µ m，半径为α = 10 µ m。实验演示了制作应变传感器的过程，并检测出峰值位移。这种谐振波长在拉伸柔性衬底时出现红移和线性调谐。品质因数约为2000，规整因子约为每拉伸单元80nm。该传感器结构小、灵敏度高，可集成到芯片中。这在一定程度上促进了小型化的发展。因此，本工作有利于光学操纵，进一步推广到可调谐光源。

作者提出了一种基于Ⅱ - Ⅵ化合物组成的纳米线的柔性微谐振器，用于检测外界运动引起的微小应变。将纳米线环谐振器嵌入到聚二甲基硅氧烷( PDMS )柔性体中，以提高耦合效率。本工作将CdS纳米线制备在PDMS柔性衬底上。在纤维尖的帮助下，在显微镜下操纵单根纳米线，使弯折线成环形，使凋落物重叠。这种重叠提高了耦合效率和传感器性能。环形腔有直径1µm、长度75µm、半径10µm的参数。实验演示了制作应变传感器的过程，并检测出峰值位移。这种谐振波长在柔性基底拉伸时出现红移和线性调谐。品质因数约为2000，规整因子约为每拉伸单元80 nm。该传感器结构小、灵敏度高，可集成到芯片中。这在一定程度上促进了小型化的发展。因此，本工作有利于光学操纵，进一步推广到可调谐光源。

智能纺织设备在可穿戴式人体运动监测、医疗和个人热管理方面的潜在应用日益受到关注。MXene ( Ti3C2Tx )是一种性能优异的新型二维材料，在可穿戴电子领域得到了广泛的应用。然而，制备具有多功能可穿戴传感应用且能使MXene不被氧化的MXene基智能纺织品仍是一个挑战。这里，我们通过构建多重核壳结构，即在聚多巴胺( PDA )改性弹性纺织品上进行MXene装饰，然后用聚二甲基硅氧烷( PDMS )涂层，制备出防水透气的智能纺织品。MXene包裹纤维形成导电网络，PDMS不仅能保护MXene不被氧化，还能赋予纺织品超疏水性能和耐腐蚀性。该智能纺织品具有突出而持久的光热和电热转换性能。更重要的是，纺织电子表现出灵敏稳定的应变传感性能和温度传感能力，具有较高的热阻系数。显然，这种智能纺织设备在下一代全合一的可穿戴电子设备中具有很高的应用前景。

目前，可伸缩、柔性和可穿戴的应变传感器对于监测人体健康和运动的能力越来越重要。但是，研制一种新型的高灵敏度、抗恶劣环境特性和多方向监测的应变传感器仍存在一定的挑战。在此，我们提出了一种柔性、多功能、可穿戴和导电的纳米纤维复合材料( WCNC )应变传感器的制备方法，由带有修饰酸修饰碳纳米管( ACNTs )的弹性热塑性聚氨酯( TPU )、耦合银纳米线( AgNWs )和固化的聚二甲基硅氧烷( PDMS )组成，ACNTs、AgNWs和PDMS的顺序修饰增强了TPU基纳米纤维膜的导电性、超疏水性和应变传感性能。WCNC ( TPU / ACNTs / AgNWs / PDMS )具有相当低的电阻约1.22  Ω / cm2 (电导率可达3506.8 S / m )，优越的超疏水性能(接触角可达153.04° )和自清洁性能。此外，WCNC应变传感器具有较高的灵敏度和较大的工作应变(约为1.36   ×  10 5，工作应变为38 % ~ 100 % )，说明WCNC在极高GF下具有较大的工作应变，此前未见报道。WCNC由于其卓越的传感性能，可用于监测人体的不同运动，同时对多个垂直方向的传感器信号进行监测，获得更精确的结果。

随着可穿戴智能电子技术的快速发展，迫切需要高性能的柔性应变传感器。设计并制备了一种碳纳米管( CNTs )和石墨烯( GR )双填充柔性多孔聚二甲基硅氧烷( CNT-GR / PDMS )纳米复合材料，用于应变传感应用。利用索氏抽提技术成功构建了典型的微孔结构，连接的CNTs和GR在多孔骨架中构建了完善的三维导电网络。因此，基于多孔结构和典型的协同导电网络，CNT-GR / PDMS基应变传感器的拉伸性能和灵敏度得到了很好的调控。基于位于细胞骨架外层和内层的脆性协同导电网络的破坏作用以及不同应变范围内相邻细胞间的接触效应，制备的CNTs-GR / PDMS应变传感器在0 ~ 3、3 ~ 57、57 ~ 90、90 ~ 120 %应变区域的规整因子分别为182.5、45.6、70.2、186.5。此外，该材料还具有超低的检测限( 0.5 %应变)、快速的响应时间( 60 ms )、良好的稳定性和耐久性( 1万次循环)以及与频率/应变相关的传感性能，使其对各种外部环境的检测具有活性。最后，将制备好的多孔CNTs-GR / PDMS基应变传感器附着在皮肤上，检测人体的各种运动，如腕部弯曲、手指弯曲、肘部弯曲、膝关节弯曲等，在智能可穿戴设备中展现出广阔的应用前景。