华中科技大学黄永安Nano Energy：基于自相似微纳米纤维的超延展压电传感器

【引言】

柔性电子技术近些年已拓展到了更广泛应用领域，如可穿戴表皮电子，人机接口，人体健康监测，电子皮肤等，这些新兴应用驱动了可共形于复杂表面并承受较大应变的可拉伸传感器的发展。可拉伸传感器通常是利用可拉伸材料如纳米材料，橡胶状材料，液态金属等导电流体，或者基于可拉伸的结构设计如蜿蜒结构、自相似结构等。但是，可拉伸传感器中所设计的微结构通常是基于光刻工艺制备的，其制作工艺较为复杂，成本较高，不适用于大批量低成本的生产。于此同时，很多可拉伸传感器存在一定的局限性，如传感器单元本身不能拉伸，传感器系统拉伸能力有限（通常小于100%），并需要外加辅助电压等。因此，迫切需要一种低成本的制造工艺，制备出高可拉伸性柔性传感器，促进可拉伸传感技术在柔性电子领域的发展。

【成果简介】

近日，华中科技大学机械科学与工程学院黄永安教授（第一作者），段永青博士（通讯作者）和尹周平教授（通讯作者）提出了一种利用自相似压电微纳米纤维制备出超高可拉伸性的自供电传感器的新方法。这种传感器可以实现超高的可拉伸性（300%），超低的探测极限（小于1mg），和极佳的稳定性（在150%的拉伸应变下工作大于1400次）。其制备方案核心是利用作者新提出螺旋电流体喷印技术（HE-Printing）结合可控自组装屈曲制备出自相似结构的微纳米PVDF纤维。这种自相似结构的压电纤维为传感器提供了远超同类的超强的可拉伸性能，同时避免了膜基结构的面外变形，为传感器提供了稳定而持续的信号输出和极低的探测极限。于此同时，这种传感器可以同时测量自身拉伸状态和多种外加载荷信息如加载幅值，频率并在不同拉伸情况下保持稳定的工作状态。这种传感器甚至可以在一定距离外探测人体运动如呼吸和走路。相关成果以题为“Hyper-stretchable self-powered sensors based on electrohydrodynamically printed, self-similar piezoelectric nano/microfibers”发表在 Nano Energy 上。参与该项目的还有博士生丁亚江，卞敬，中科院力学所苏业旺研究员和武汉光电国家实验室周军教授。

【图文导读】

图1：设计概念与器件结构

注：自供电传感器的器件结构设计和制备过程及实物照片；该传感器可以承受超过300%的拉伸应变。

图2：利用螺旋电流体喷印技术制备蜿蜒结构微纳米纤维

注：螺旋电流体喷印技术通过调整工艺参数可以以直写的方式低成本，大批量的制备不同尺寸与形状的蜿蜒微纳米结构，结合自组装屈曲过程，可以快速低成本的制备各种尺寸和形状的自相似微纳米结构。

图3: 超高可拉伸性的自供电传感器的拉伸响应

注：利用电动拉伸平台进行拉伸性能测试与表征，该种传感器体现出极强的拉伸性能，较好的传感性能和稳定工作状态。

图4： 自供电传感器的应用

注：这种传感器可以同时测量多种外加载荷信息如加载幅值，频率并在不同拉伸情况下保持稳定的工作状态。这种传感器有极高的敏感性，甚至可以在一定距离外探测人体运动如呼吸和走路。

【小结】

该工作利用成本低廉的螺旋电流体喷印技术（HE-Printing）制备出有超强拉伸性能的自供电传感器，开创了利用低成本工艺制备高性能，高可拉伸性传感器的先河。这种传感器可以实现超高的可拉伸性，超低的探测极限，和极佳的稳定性，这种高性能的传感器有望在新一代人造皮肤中得到广泛应用。

文献链接：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)

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