无

第1章 绪论 001
1.1 柔性应变传感器 001
1.2 柔性应变传感器简介 002
1.2.1 电阻式应变传感器 004
1.2.2 电容式应变传感器 006
1.2.3 压电式应变传感器 009
1.3 柔性可拉伸应变传感器及其结构设计 010
1.3.1 织物基可拉伸应变传感器 011
1.3.2 弹性体基可拉伸应变传感器 013
1.3.3 水凝胶基可拉伸应变传感器 018
1.4 柔性应变传感器的应用 021
1.4.1 生物医学监测 021
1.4.2 互动游戏与虚拟现实交互 026
1.4.3 软体机器人 027
1.5 本书内容及研究意义 028

第2章 实验材料、表征与测试方法 031
2.1 实验试剂与仪器 031
2.1.1 主要实验试剂 031
2.1.2 实验设备和仪器 032
2.2 材料表征与分析 032
2.2.1 场发射扫描电子显微镜和扫描开尔文探针显微镜简介 032
2.2.2 X 射线衍射分析 033
2.2.3 X 射线光电子能谱分析 033
2.2.4 拉曼光谱分析 033
2.2.5 傅里叶变换衰减全发射红外光谱分析 033
2.2.6 热重分析 034
2.3 力学性能测试 034
2.3.1 断裂拉伸测试 034
2.3.2 拉伸-回复测试 035
2.4 传感性能测试 035
2.4.1 断裂拉伸过程电信号测试 035
2.4.2 灵敏度测试 035
2.4.3 循环稳定性测试 035
2.4.4 生理信号测试 036

第3章 基于PPy@PVA 膜的柔性可拉伸应变传感器性能研究 037
3.1 概述 037
3.2 PPy@ PVA 柔性传感器材料制备与实验方法 038
3.2.1 PPy@ PVA 柔性复合膜的制备 038
3.2.2 PVA 膜和PVA/GA 复合膜的制备 039
3.2.3 PPy@ PVA 柔性应变传感器的制备 039
3.3 PPy@ PVA 柔性传感器性能及应用分析 039
3.3.1 PPy@ PVA 柔性复合膜的表征 039
3.3.2 PPy@ PVA 柔性应变传感器的性能研究 051
3.3.3 PPy@ PVA 柔性应变传感器的应用研究 055
3.4 本章小结 058

第4章 基于PEDOT：PSS@PVA-GL/Me 膜的柔性应变传感器的性能研究 059
4.1 概述 059
4.2 PEDOT：PSS@ PVA-GL/Me 柔性传感器材料制备与实验方法 060
4.2.1 PEDOT：PSS@ PVA-GL/Me 复合膜的制备 060
4.2.2 PVA、PVA-Me、PVA-GL、PVA-GL/Me 膜的制备 060
4.2.3 PEDOT：PSS@ PVA-GL/Me 复合膜应变传感器的制备 061
4.3 PEDOT：PSS@ PVA-GL/Me柔性传感器性能及应用分析 061
4.3.1 PEDOT：PSS@ PVA-GL/Me-3 复合膜的表征 061
4.3.2 PEDOT：PSS@ PVA-GL/Me-3 柔性应变传感器的性能测试 071
4.3.3 PEDOT：PSS@ PVA-GL/Me-3 柔性应变传感器的应用研究 075
4.4 本章小结 079

第5章 基于PEDOT：PSS@PVA 纤维的柔性应变传感器的性能研究 080
5.1 概述 080
5.2 PEDOT：PSS@ PVA 柔性传感器材料制备与实验方法 081
5.2.1 PEDOT：PSS@ PVA 水凝胶纤维的制备 081
5.2.2 PVA 纤维和PVA/GL 水凝胶纤维的制备 082
5.2.3 PEDOT：PSS@ PVA 纤维应变传感器的制备 082
5.3 PEDOT：PSS@ PVA 柔性传感器性能及应用分析 082
5.3.1 PEDOT：PSS@ PVA 水凝胶纤维的表征 082
5.3.2 PEDOT：PSS@ PVA 水凝胶纤维柔性应变传感器的性能研究 092
5.3.3 PEDOT：PSS@ PVA 水凝胶纤维柔性应变传感器的应用研究 100
5.4 本章小结 103

参考文献 104

随着可穿戴电子设备和软体机器人的迅猛发展，作为感知外界机械刺激、实现人机交互与环境感知的关键器件，柔性应变传感器凭借其良好的柔韧性、可拉伸性、高灵敏度以及与生物组织的贴合性，已成为柔性电子领域的研究热点。其在健康监测、运动追踪、人机接口、智能假肢、可穿戴机器人等众多前沿领域展现出巨大的应用潜力，正在深刻改变人类感知信息、获取数据以及与数字世界交互的方式。
然而，在从实验室走向实际应用的过程中，柔性应变传感器仍面临着一系列关键的挑战。首先，人体生理信号(如脉搏、声带振动、微表情等)的检测通常对应着微小应变，这对传感器的小应变检测限和高灵敏度提出了严苛要求。其次，可穿戴设备在实际使用中不可避免地会暴露在各种复杂多变的环境中，例如极端寒冷、湿热或干燥气候，这对传感器的环境稳定性、抗冻性和长期工作可靠性构成了严峻考验。再次，与皮肤长期紧密接触的穿戴式传感器，其生物相容性、穿戴舒适性(尤其是透气性)以及长时间佩戴下的皮肤刺激性等问题，是决定其能否被用户广泛接受的关键因素，而传统的二维薄膜结构在此方面往往存在不足。因此，如何从材料设计、结构工程和制造工艺等多维度协同创新，开发出兼具高灵敏度、优异环境耐受性、良好生物相容性和穿戴舒适性的柔性应变传感器，成为推动该领域持续发展、实现其真正实用化必须解决的核心问题。
为应对上述挑战，本书立足于材料科学、柔性电子学与生物医学工程的交叉领域，提出了一种系统性的解决方案：以生物相容性优异的聚乙烯醇水凝胶作为柔性弹性基体，以本征型导电聚合物作为活性传感材料，通过冰模板法等制备工艺，构建一系列具有多级结构、性能可调的高性能柔性应变传感器。水凝胶材料具有与生物组织相似的“湿、软、弹”特性，是实现生物友好界面的理想选择;而导电聚合物则提供了优异的电学性能与结构可设计性。二者的有机结合，为传感器性能的全面提升奠定了基础。
本书的核心内容如下：
第1章简单介绍了柔性传感器的研究背景及目前的研究现状，并对不同类型柔性应变传感器的原理、结构、应用做了简单分析。第2章对需要用到的试剂、仪器及测试方法进行了介绍。第3章构建了可用于生理信号检测的柔性传感器，首先以戊二醛对聚乙烯醇进行预交联;然后在预交联的聚乙烯醇中加入六水合三氯化铁，经凝胶化、冷冻干燥后得到三氯化铁@聚乙烯醇复合膜。将三氯化铁@聚乙烯醇复合膜浸入含吡咯的乙腈/水混合溶液中进行原位聚合反应，得到柔性的聚吡咯@聚乙烯醇复合膜，并对其性能做了测试，结果表明基于聚吡咯@聚乙烯醇的应变传感器在生理监测方面具有良好应用前景。在第4章中，为提高可穿戴电子设备在极寒环境下的适用性，以三聚氰胺和甘油交联的PVA 水凝胶为可拉伸基体，以聚(3，4-乙撑二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸)为导电材料，利用冰晶的模板作用构建了具有三维网状结构的抗寒、抗失水的环境耐受型PEDOT：PSS@PVA-GL/Me导电水凝胶复合膜。在水凝胶中，三聚氰胺的—NH2 和甘油的—OH 都能与PVA 分子链的—OH 形成分子间氢键，进而提高器件的可拉伸性和机械强度。另一方面，甘油还能与水形成氢键，起到保水剂和抗冷冻剂的作用。基于PEDOT：PSS@PVA-GL/Me复合膜的应变拉伸传感器在-60℃的低温和10%的拉伸应变条件下，经5000次循环后仍具有良好的传感性能。第5章为解决二维薄膜型传感器透气性的问题，以玻璃毛细管为铸模，通过在聚乙烯醇和PEDOT：PSS的混合物中添加甘油，制备了耐极端环境的PEDOT：PSS@PVA 柔性水凝胶纤维。测试结果表明：该纤维型传感器具有很好的柔韧性和机械强度，当断裂伸长率为519.9%时，断裂强度达到13.76MPa。此外，所得水凝胶纤维具有优异的保水性能和耐低温性，基于该复合纤维的传感器也能对关节弯曲、发声、脉搏等复杂的人体运动进行实时监测。纤维型应变传感器能有效减小器件与皮肤的接触面积，并降低因透气性差引发皮肤发炎的风险，在长期实时生理监测方面有良好的应用前景。
本书内容受山西省基础研究计划(自由探索类) 项目(批准号：202203021222327)的支持，在此表示感谢!
由于笔者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请各位读者、专家不吝批评指正。

石婉辉
山西工程科技职业大学