近年来，随着可穿戴电子设备的逐步发展，传统的传感器由于变形能力不足，导致其在上述领域中的应用受到了极大的限制。例如，可穿戴健康设备在指导病人进行康复训练或专业运动员训练时[1]，应能够耐受150%以上的拉伸应变[2]。人造假肢中所需要的肌电传感器在侦测手指弯曲、手臂弯曲等运动，需达到50%-150%的拉伸变形[3]。智能外科手术手套和外科手术机器人在做侵入性外科手术时，需要至少达到50%的拉伸应变[4]。因而，能在各种曲面以及大变形情况下工作的可拉伸应变传感器受到了研究者的广泛关注，已经逐渐发展为一个重要的研究方向。

可拉伸应变传感器一般由依附性好且具有一定变形能力的基体和分布在基体上的传感元件组成[5]。广义上，应变传感器可分为电阻式、电容式和压电式。很多电阻式和电容式传感器已具备优越的传感性能，但都需为其额外提供驱动电能。相反，压电应变传感器由于其中的压电效应可将机械能转化为电能[6]，因而具有能耗低或者无需额外能源供应的特点。因此，纵观各类应变传感器，压电应变传感器具有低耗能、快速反应和高灵敏度的特点，同时其结构简单、体积小、质量轻和使用寿命长，被广泛地应用在声学、力学和医学等各个领域[7]-[11]。

当前，可拉伸压电传感器主要通过两种策略获得:一是选用各种类型的柔性应变传感材料，例如聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))[12]、ZnO纳米线[13]-[16]、ZnSnO₃纳米线、碳纳米管[17]-[20]、混合碳纳米管[21],[22]和导电聚合物[23]-[29]等;二是使压电材料具有可拉伸结构，例如弯曲结构[30]和网状结构。一方面，从具有压电效应的材料来看，研究者们采用了多种压电材料来制备可拉伸应变传感器。Sun等人[31]报道了以压电纳米发电机和石墨烯晶体管为传感元件的应变传感器。在施加外部应力情况下，该传感器具有高灵敏度(可探测到的最小应力:0.008%)和高灵活性，但在形变能力方面缺乏深入研究。Zhou等人[32]提出了基于单晶ZnO压电细线的应变传感器。该压电应变传感器以高达1250的应变系数实现了高灵敏度和快速响应特性，但在拉伸性能方面不足。Wu等人[33]提出了使用单晶ZnSnO₃纳米线制备超灵敏的压电应变传感器。获得的应变传感器的应变系数(GF=3740)比Si系应变传感器高出19倍，比碳纳米管和ZnO纳米线高出3倍。但是由于ZnO或者ZnSnO₃纳米线通常键合在基体表面或者包埋在基体内部，因而该类应变传感器在测量分散方向和固定方向的应变有一定局限性，并且在形变能力方面仍有不足。日本学者Kawai发现极化后的聚偏二氟乙烯(PVDF)具有压电性能后，PVDF优越的压电性能受到了较大的关注[34]。但它们在拉伸性方面有局限，使压电传感器不能稳定地依附在弯曲的物体或人体表面，不能满足在可穿戴电子设备、人类活动检测以及个人医疗服务方面的应用。于是，另一方面，为了获得高拉伸的压电应变传感器，制备压电材料的可拉伸结构受到了较多的关注，尤其是弯曲形结构、网络化结构以及两者的复合结构[35]-[39]。Qi等人[40]利用半固化状态下聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面粘性，将锆钛酸铅纳米带压印到预拉伸的PDMS基体上，回复后得到局部粘接的弯曲形褶皱纳米带结构。但是，因为使用的纳米带与基体弹性模量不匹配，随着预拉伸应变的增加，回复后纳米带与基体粘接面积会逐渐减少，直至完全脱离。这种皱褶形结构的传感器拉伸率仅为8%。Jiang等人[41]利用Si纳米带与PDMS基体发生化学反应实现粘接，基体预拉伸回复之后产生非线性不稳定性弯曲，微米带与基体只有局部实现紧密粘接[42]，形成波浪形结构。在外部应力作用下，这种结构的振幅和波长会发生一定的变化从而大大降低硅带的内部应变。获得的压电应变传感器断裂伸长率可达15%，是Si本身断裂伸长率的15倍。Duan等人[43]通过电纺直写PVDF纤维到预拉伸的PDMS薄膜上，通过调节纤维截面积形状得到了面内弯曲的纤维。这种方法得到的压电传感器拉伸率为110%。相比于前面的几种方法，这种方法制备简单、成本低、纤维/纳米带与基体相容性好，拉伸性能得到了有效提升。但是，受到基体断裂伸长率的限制，上述可拉伸压电应变传感器仍然不能满足可穿戴电子器件对拉伸性的要求。因此，纵观当前研究，无论是基于柔性压电材料还是基于可拉伸结构的压电应变传感器，均未能完全满足可穿戴电子器件的变形需求。

图 1 本课题提出的具有双级波浪结构的PVDF压电应变传感器及其变形示意图

针对目前压电应变传感器拉伸性能不足的问题，本课题提出构建同时具有面内和面外双级波浪结构的PVDF微纤维，利用双级波浪结构在拉伸过程中波长和振幅的变化承受高拉伸应变，最终获得高拉伸压电应变传感器。本课题的核心思路如图1所示。本课题基于静电纺丝直写技术，拟研究静电场及预拉伸对PVDF纤维面内和面外波浪结构的复合制备原理以及调控规律，探究双级波浪结构内部应变与压电性能之间的关系，并探索高拉伸压电传感器性能与微观形貌之间的定性和定量规律。通过本课题的实施，拟制备拉伸应变大于250%的压电应变传感器，并应用于人体关节运动侦测。本课题的实施，有助于突破现有压电设备的拉伸局限性，从而广泛应用在可穿戴健康设备、机器人电子皮肤和结构健康侦测等领域。

2. 研究的基本内容与方案

研究内容：