在柔性电子与可穿戴传感领域，实现兼具机械鲁棒性与方向选择性的气流检测仍面临挑战。传统基于压阻效应的直线型硅纳米线（SiNW）传感器在柔性基底弯曲时易因应力集中而断裂，难以适用于动态工作环境。为此，南京大学余林蔚教授与扬州大学刘宗光教授团队受人类皮肤感觉毛发和昆虫刚毛感知微弱气流扰动的启发，提出一种几何工程化弹簧状单晶硅纳米线（spring-shaped SiNW）柔性气流传感器，成功实现了在弯曲条件下稳定的方向性气流检测。该成果已发表于Applied Physics Letters。
研究团队采用自主发展的面内固-液-固（IPSLS）生长方法，在平面衬底上直接制备出弹簧状晶硅纳米线阵列。通过光纤辅助挑线转移技术，将单根SiNW桥接于柔性聚酰亚胺（PI）基底上的两个PI支撑垫之间，构建悬空式机械结构，有效隔离基底应变，提升器件的机械适应性。有限元分析表明，直线型SiNW在约2%轴向应变下即达到硅的断裂极限，而弹簧状SiNW可耐受高达20%的应变。实验验证，在50 mm弯曲半径下，直线型器件发生断裂，而弹簧状结构保持完整，展现出优异的抗弯折能力。在气流传感性能方面，器件可在0.5-3 m/s风速范围内实现稳定检测，响应时间低至80 ms。得益于弹簧结构的各向异性力学响应，不同方向气流诱导的应变分布存在显著差异，导致电阻变化呈现方向依赖性。实验结果显示，在0°、45°和90°气流激励下，电流响应幅度分别为56%、38%和16%，可清晰区分风向，具备良好的方向选择性。
该工作通过结构-功能一体化设计，融合单晶硅的压阻特性与弹簧几何构型的力学优势，不仅解决了柔性器件在形变下的稳定性难题，还实现了方向性感知功能。该策略为发展高鲁棒性、仿生化柔性传感器提供了新思路，有望应用于可穿戴健康监测、微型机器人环境感知等前沿领域。
论文信息：
Zongguang Liu*, Haotian Wu, Hongyu Wu, Ruijin Hu, Shaobo Zhang, Yunqing Cao, Junzhuan Wang, Kunji Chen, Jianmei Chen*, Linwei Yu*. Geometry-engineered spring-shaped silicon nanowires for directional airflow sensing on flexible substrates, Applied Physics Letters, 127, 092109 (2025).
论文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0283844