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柔性可伸缩应变传感器
Review
应变传感器或应变计是用于测量物体变形的传感器。 通常，应变片由柔性基板上的图案金属箔组成，可以很容易地附着在物体上，以监测其变形[1]。
最近，人们越来越感兴趣的是开发灵活和可伸缩的应变传感器，这些传感器可以附着在衣服上或人体上，用于电子皮肤和医学中的人体运动监测（例如，开发诊断、康复援助和活动监测）。 监测人体运动可分为两类：一）检测大规模运动（如手、臂、腿和脊柱的弯曲运动）；二）检测小规模运动（如面部、胸部和颈部在情绪表达、呼吸、吞咽和说话过程中的细微运动）[2]。 这些运动的检测对于将应变传感器应用于受损声带、呼吸障碍、心绞痛的诊断，以及评估骨骼之间的内部空间间隙，确定脊柱姿势的变化程度，监测帕金森病，检测姿势和运动，分析面部表情变化，监测皮肤硬化具有重要意义。 此外，人体运动检测中的应变传感器需要满足以下要求：高延展性、灵活性、高灵敏度、高耐久性、快速响应/恢复速度和一致性[3]。因此，各种类型的柔性和可伸缩应变传感材料，如P（VDF-Tr FE）[4,5]、ZnO NWs[6–11]、ZnSnO3 NWs [12]、CNTs [13,14,15,16]、CNT复合材料[17,18]、石墨烯[19,20–25]、R-GO[26,27–29]、R-GO复合材料[30,31,32]、Ag NWs[33]、聚合物纳米纤维[34]、炭黑（CB）[1,35]、有机半导体[36,37,38]、金属NPs [39]、Si NWs [40]、GaInSn [41] 和导电聚合物 [42-48] 已经对先进的应变传感器进行了研究。 这些应变传感器的传感机理包括压电三性、电容和压阻性。此外，表3还列出了依赖于应变传感材料和传感机制的应变传感器的性能。
2.3.1压电应变传感器
压电应变传感器依靠压电材料，使机械能转化为电能。 在其他类型的应变传感器中，压电应变传感器具有超快响应、高灵敏度和低功耗[9]。近年来，利用P（VDF-Tr FE）技术研制出了几种压电应变传感器 [4,5]和ZnO NWs[6–11]。Sun等人[5]报道了一种基于压电电位的有源矩阵应变传感器。 该传感器装置包括压电位纳米发生器（NG）（应变传感器元件）和共面栅石墨烯晶体管（GT） 在外加应变下，由P（VDF-Tr FE）产生的压电势通过离子凝胶介质有效地耦合到GT通道。 因此，GT的沟道电导被压电势调制（图8a）。 基于压电功率石墨烯晶体管的应变传感器具有高灵敏度、超灵敏度（最小可检测应变：0.008%）和高柔性，在人类活动监测中有着广阔的应用前景（图8b）。 此外，由于最近发现的压电效应，具有压电和半导体性能的ZnO NW材料特别适合于应变传感器.. 在沿ZnO NW的施加拉伸应变下，在两端产生压电电荷，并在ZnO NW中形成压电势。这种压电电位影响了NW与电极的肖特基反应。 因此，在NW中，势垒的高度和电荷载流子的输运行为可以通过施加外部应变来控制和转动。 这就是压电效应。 [49]由此，周等人.. [11]提出了一种基于单个ZnO压电细线（PFW）的柔性应变传感器（图8c）。 压电应变传感器具有高灵敏度，表因子（GF）高达1250，高稳定性和快速响应。 在柔性衬底上的ZnOP FW应变传感器正在应用于细胞生物学和生物医学中的应变和应力测量。 同样，吴等人。 [50]开发了一种基于单个ZnSnO的超高敏压电应变传感器3 西北部。ZnSnO的GF3 NW型应变传感器比Si基应变传感器高19倍，比CNT和ZnO NWs高3倍。 这是一个新发现的压电性能的ZnSnO3 NWS及其在应变传感器中的应用。 然而，基于纯晶单ZnO或ZnSnO的压电应变传感器3 通常结合在表面或嵌入在宿主结构中的NWS。 因此，它们在离散点和固定方向上测量应变方面有局限性。 [9]因此，在一种用于应变传感器的柔性衬底上直接生长的ZnO NWs已经被开发出来。Zhang等人[7]报道了一种具有垂直排列的ZnO NWs阵列的柔性应变传感器。 从这种应变传感器中获得了高达1813的GF，它高于基于单个ZnO NW的应变传感器器件。此外，还有廖等人。 [51]开发了一种基于碳纤维表面生长的织构ZnO NW薄膜的柔性应变传感器。为了提高柔性压电应变传感器的灵活性，Gullapalli等[9]一种嵌入ZnO纳米结构的应变传感器在一张纸的矩阵里。该装置具有良好的应变灵敏度（（GF）=21），功耗非常低。
一般情况下，基于NW配偶的压电应变传感器具有超快响应、高灵敏度和低功耗.. 然而，它们在柔性、拉伸能力和低应变范围内的检测方面都是有限的。这些特性使压电传感器不稳定地包裹在弯曲的物体或人体上，用于可穿戴电子电子学、人体活动监测和个人保健。 因此，需要为生物医学应用开发一种可伸缩的保形压电应变传感器。
表格 3. 柔性和可拉伸应变传感器性能综述
|
Active materials |
Sensing mechanism |
Flexibility/stretchability |
Minimum detection |
Maximum detection |
GF |
Ref. |
|
P(VDF-TrFE)/transistor |
Piezoelectric |
Flexible [0.25%] |
0.008% |
0.24% |
389 |
[123] |
|
Single ZnO fine wire |
Piezoelectric |
Flexible [1.2%] |
0.2% |
1.2% |
1250 |
[129] |
|
Single ZnSnO3 NW |
Piezoelectric |
Flexible [0.32%] |
0.08% |
0.32% |
3740 |
[130] |
|
ZnO NWs array |
Piezoelectric |
Flexible [0.8%] |
0.2% |
0.8% |
1813 |
[125] |
|
ZnO NWs on CNT |
Piezoelectric |
Flexible [1.2%] |
0.2% |
1.2% |
80 |
[156] |
|
MWCNTs/PU composite |
Piezoresistive |
Stretchable [400%] |
15.5% |
400% |
69 |
[133] |
|
Rubber/MWCNTs/rubber |
Piezoresistive |
Stretchable [620%] |
8.3% |
620% |
43 |
[131] |
|
Aligned SWCNT films |
Piezoresistive |
Stretchable [280%] |
5% |
200% |
0.82 |
[31] |
|
Hybrid SWCNTs and PEDOT:PSS/PU |
Piezoresistive |
Stretchable [100%] |
1.6% |
100% |
62 |
[28] |
|
CB/PDMS composite |
Piezoresistive |
Stretchable [80%] |
– |
80% |
5.5 |
[144] |
|
CB/PDMS composite |
Piezoresistive |
Stretchable [150%] |
– |
– |
29 |
[11] |
|
CVD-graphene |
Piezoresistive |
Stretchable [5%] |
2.47% |
4.79% |
151 |
[134] |
|
CVD-graphene |
Piezoresistive |
Stretchable [7.1%] |
0.015% |
7.1% |
14 |
[136] |
|
Graphene ripples |
Piezoresistive |
Stretchable [30%] |
2.5% |
20% |
2 |
[157] |
|
Graphene woven fabric |
Piezoresistive |
Stretchable [10%] |
0.5% |
10% |
106 |
[139] |
|
Graphene woven fabric |
Piezoresistive |
Stretchable [30%] |
– |
2% |
35 |
[36] |
|
Nanographene |
Piezoresistive |
Flexible [0.37%] |
0.05% |
0.37% |
37 |
[135] |
|
Nanographene |
Piezoresistive |
Flexible [1.6%] |
0.5% |
1.6% |
600 |
[137] |
|
R-GO |
Piezoresistive |
Stretchable [10%] |
– |
10% |
9.49 |
[141] |
|
Graphene flakes |
Piezoresistive |
Flexible [1.6%] |
– |
1.6% |
lt;
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