基于镍纤维阵列的双层异质结构在多尺度应用中实现超高灵敏度和宽范围应变传感

《Advanced Materials Technologies》：Nickel Fiber Array-Based Bilayer Heterostructures for Ultrahigh Sensitivity and Wide-Range Strain Sensing in Multiscale Applications

柔性应变传感器设计及应用研究提出镍纤维阵列（NFAs）双向尺寸分离与应变共享协同机制，通过磁场组装和滴涂封装制备NFAs/PDMS异质复合传感器，实现负电阻-应变效应，小应变检测灵敏度GF=558（最小分辨率0.0033%），大应变检测范围扩展至80%，并成功应用于四足机器人姿态检测系统。

　　

摘要

在高灵敏度和宽检测范围之间的矛盾一直是柔性及可穿戴应变传感器领域面临的一个关键科学挑战。为了解决这一问题，本研究提出了一种创新策略，该策略基于镍纤维阵列（NFAs）的双向尺寸分离和应变共享机制。通过磁场组装构建对齐的镍纤维阵列网络，并结合滴涂封装技术，制备出一种双层NFAs/PDMS各向异性复合传感器。该传感器的尺寸解耦特性实现了微尺度（纤维表面）与纳米尺度（纤维末端）的应变分离，将传统的正电阻-应变响应转化为负电阻-应变效应，从而显著提升了微小形变的检测能力（在0–15%的应变范围内，灵敏度高达558；最小分辨率为0.0033%）。这种软硬协同的应变共享机制有效缓解了各向异性变形过程中的应力集中（在25–65%的应变范围内，灵敏度达到20548），并将最大检测范围扩展至80%。与传统正电阻-应变传感器不同，这种由隧穿效应驱动的负电阻-应变效应从根本上解决了高灵敏度与大测量范围之间的矛盾。该传感器能够同时检测面部微表情和全身关节运动，并已成功应用于四足机器人的姿态检测系统，实现了对复杂姿态和运动的协同感知。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。