基于紡織基材的柔性應變傳感器具有天然的柔韌性、高靈敏度和寬范圍的拉伸響應。然而，紡織品復雜且各向異性的子結構導致負差分電阻 (NDR) 響應，缺乏對機制的更深入了解。因此，我們檢測了具有顯著 NDR 拉伸響應的石墨烯紡織應變傳感器，為機理研究提供了必要的研究平臺。單纖維束的開創(chuàng)性測量證實了 NDR 效應在亞幾何尺度上的存在。基于拉伸形態(tài)和測量的原位表征，我們進行了定量行為分析，全面揭示了全范圍拉伸電響應的起源。結果表明，產生 NDR 效應的主要因素是織物束內纖維的相對位移。基于神經尖峰樣拉伸響應，我們進一步展示了紡織品應變傳感器在閾值檢測和近傳感器信號處理中的應用潛力。所提出的NDR行為模型將為可穿戴智能紡織品的設計和應用提供參考。
Figure 1. 石墨烯織物應變傳感器的形態(tài)組成和典型拉伸響應。(a) 典型緯編紡織品的示意圖。單纖維束在外部和內部都涂有石墨烯納米片。(b) 通過掃描電子顯微鏡觀察紡織品應變傳感器的表面形貌。比例尺代表 500μm。(c) 紡織品表面的示意性垂直視圖，注釋顯示纖維束細胞電阻的三個組成部分：X方向纖維束R x、Y方向纖維束R y和X - Y接觸部分，RC _. (d) 基于石墨烯的紡織應變傳感器的典型負微分電阻拉伸響應。相對應變?yōu)?0–30% 的紡織品傳感器不同于通常的正電阻變化傳感器。將傳感器的測量幅度標準化為初始值。
Figure 2. 基于石墨烯的紡織應變傳感器的性能。(a) 完整的抗拉響應，可分為三個階段，表現(xiàn)出廣泛的敏感性。(b) 不同機構張力傳感器的性能比較。(16−18,29−33)顏色塊代表基于石墨烯的傳感器的響應范圍。(c 和 d) 傳感器在X方向和Y方向的 3000 次拉伸載荷循環(huán)下的性能。（e 和 f）分別具有X方向和Y方向拉伸的放大循環(huán)。（g 和 h）5 個設備在 20% 相對應變下的歸一化平均響應和誤差條。
Figure 3. 紡織行為模型及拉伸模擬結果。(a和b)載荷應力下織物結構沿X方向變形的俯視圖。插圖比例尺，500μm。(c) 相鄰纖維束在X方向加載張力下的相對變形的機械模擬。(d和e)載荷應力下織物結構沿Y方向變形的俯視圖。插圖比例尺，500μm。(f) Y軸下相鄰纖維束相對變形的力學模擬-方向加載張力。(g) 橫向加載張力下單根纖維束相對變形的力學模擬。(h) 單根纖維束和模型擬合的拉伸試驗。由于單根纖維束的拉伸余量較小，當相對應變達到25.38%時纖維束完全斷裂。(i-l) 分別為X負載X電阻、X負載Y電阻、Y負載Y電阻和Y負載X電阻的拉伸響應。
Figure 4. 紡織應變傳感器的應用場景。(a) 拉伸響應的說明。在初始狀態(tài)下，外部應變刺激形成一個由階段 I 和 II 組成的峰值 (φ)。當應變超過閾值 (κ) 時，將出現(xiàn)一個后電位峰值。整個反應具有類似神經尖峰的波形，如插圖所示。(b) 在低于閾值的應變下的循環(huán)響應。(c) 在高于閾值的應變下的循環(huán)響應。(d) 實驗部署地點概覽。(e-g) 分別在喉部、肘部和手指關節(jié)處測量的波形。可以看出，紡織傳感器在實際應用中對不同的應變敏感。(h) 近傳感器信號放大器示意圖。具有負微分電阻的基于石墨烯的紡織應變傳感器 -r和具有正電阻變化R的基于石墨烯的 PDMS 應變傳感器可以由交流信號放大器組成。
相關研究工作由清華大學Tian-Ling Ren課題組于2022年在線發(fā)表于《ACS Nano》期刊上，原文：Understanding the Origin of Tensile Response in a Graphene Textile Strain Sensor with Negative Differential Resistance。
轉自《石墨烯研究》公眾號
