華中科技大學黃永安Nano Energy：基於自相似微納米纖維的超延展壓電感測器

【引言】

柔性電子技術近些年已拓展到了更廣泛應用領域，如可穿戴錶皮電子，人機介面，人體健康監測，電子皮膚等，這些新興應用驅動了可共形於複雜表面並承受較大應變的可拉伸感測器的發展。可拉伸感測器通常是利用可拉伸材料如納米材料，橡膠狀材料，液態金屬等導電流體，或者基於可拉伸的結構設計如蜿蜒結構、自相似結構等。但是，可拉伸感測器中所設計的微結構通常是基於光刻工藝製備的，其製作工藝較為複雜，成本較高，不適用於大批量低成本的生產。於此同時，很多可拉伸感測器存在一定的局限性，如感測器單元本身不能拉伸，感測器系統拉伸能力有限（通常小於100%），並需要外加輔助電壓等。因此，迫切需要一種低成本的製造工藝，製備出高可拉伸性柔性感測器，促進可拉伸感測技術在柔性電子領域的發展。

【成果簡介】

近日，華中科技大學機械科學與工程學院黃永安教授（第一作者），段永青博士（通訊作者）和尹周平教授（通訊作者）提出了一種利用自相似壓電微納米纖維製備出超高可拉伸性的自供電感測器的新方法。這種感測器可以實現超高的可拉伸性（300%），超低的探測極限（小於1mg），和極佳的穩定性（在150%的拉伸應變下工作大於1400次）。其製備方案核心是利用作者新提出螺旋電流體噴印技術（HE-Printing）結合可控自組裝屈曲製備出自相似結構的微納米PVDF纖維。這種自相似結構的壓電纖維為感測器提供了遠超同類的超強的可拉伸性能，同時避免了膜基結構的面外變形，為感測器提供了穩定而持續的信號輸出和極低的探測極限。於此同時，這種感測器可以同時測量自身拉伸狀態和多種外載入荷信息如載入幅值，頻率並在不同拉伸情況下保持穩定的工作狀態。這種感測器甚至可以在一定距離外探測人體運動如呼吸和走路。相關成果以題為「Hyper-stretchable self-powered sensors based on electrohydrodynamically printed, self-similar piezoelectric nano/microfibers」發表在 Nano Energy 上。參與該項目的還有博士生丁亞江，卞敬，中科院力學所蘇業旺研究員和武漢光電國家實驗室周軍教授。

【圖文導讀】

圖1：設計概念與器件結構

註：自供電感測器的器件結構設計和製備過程及實物照片；該感測器可以承受超過300%的拉伸應變。

圖2：利用螺旋電流體噴印技術製備蜿蜒結構微納米纖維

註：螺旋電流體噴印技術通過調整工藝參數可以以直寫的方式低成本，大批量的製備不同尺寸與形狀的蜿蜒微納米結構，結合自組裝屈曲過程，可以快速低成本的製備各種尺寸和形狀的自相似微納米結構。

圖3: 超高可拉伸性的自供電感測器的拉伸響應

註：利用電動拉伸平台進行拉伸性能測試與表徵，該種感測器體現出極強的拉伸性能，較好的感測性能和穩定工作狀態。

圖4： 自供電感測器的應用

註：這種感測器可以同時測量多種外載入荷信息如載入幅值，頻率並在不同拉伸情況下保持穩定的工作狀態。這種感測器有極高的敏感性，甚至可以在一定距離外探測人體運動如呼吸和走路。

【小結】

該工作利用成本低廉的螺旋電流體噴印技術（HE-Printing）製備出有超強拉伸性能的自供電感測器，開創了利用低成本工藝製備高性能，高可拉伸性感測器的先河。這種感測器可以實現超高的可拉伸性，超低的探測極限，和極佳的穩定性，這種高性能的感測器有望在新一代人造皮膚中得到廣泛應用。

文獻鏈接：Hyper-stretchable self-powered sensors based on electrohydrodynamically printed, self-similar piezoelectric nano/microfibers (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.07.048)

本文由材料牛整理編輯。

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