趙鈺 韓森森 孟慶實

摘 要：隨著電子設(shè)備的迅速發(fā)展，復(fù)合材料柔性傳感器在可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測以及智能機器人等方面的巨大發(fā)展?jié)摿Φ玫搅藦V泛的關(guān)注和研究。石墨烯作為新一代納米級碳材料，具備良好的機械、導(dǎo)電性能以及傳感功能性能，是制備復(fù)合材料傳感器的理想材料。本文主要介紹了當(dāng)下比較熱門的幾種復(fù)合材料傳感器，通過對它們目前相關(guān)性能研究探索了基于多種不同的復(fù)合材料在柔性傳感器方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：柔性傳感器；靈敏度系數(shù)；石墨烯

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.122

1 引言

柔性傳感器主要指采用柔性材料制造的傳感器，具備良好的柔韌性、可拉伸性、可以自由彎曲甚至折疊，結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，能夠非常方便地對被測量進(jìn)行檢測。而根據(jù)其功能的不同可分為柔性應(yīng)變/應(yīng)力傳感器、柔性氣體傳感器、柔性濕度傳感器、柔性溫度傳感器等，不同的功能主要取決于柔性傳感器的敏感單元的選擇。而其中柔性應(yīng)變/應(yīng)力傳感器主要是基于柔性導(dǎo)電材料和柔性基材，通過測量導(dǎo)電材料電阻值的變化檢測應(yīng)變和應(yīng)力，其中應(yīng)力傳感器又主要以壓力傳感器為主。目前柔性應(yīng)變/應(yīng)力傳感器在電子皮膚、醫(yī)療保健、運動器材、等領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用[1，2]。

2 柔性傳感器的傳感機理

柔性應(yīng)變/應(yīng)力傳感器的傳感機理是指傳感器將被測的應(yīng)變/應(yīng)力信號轉(zhuǎn)化為電信號的信號轉(zhuǎn)換機制，主要分為壓阻效應(yīng)，電容效應(yīng)和壓電效應(yīng)三大部分[3]。主要通過靈敏度系數(shù)表明傳感器的性能的高低。

（1）壓阻式傳感器主要功能是將外力轉(zhuǎn)化為電阻的變化，由于外力會導(dǎo)致導(dǎo)電物質(zhì)間導(dǎo)電路徑的變化，進(jìn)而會產(chǎn)生電阻的變化。當(dāng)導(dǎo)電復(fù)合材料在承受壓力時，其內(nèi)部導(dǎo)電物質(zhì)間的間距會發(fā)生變化并且其本身在受力方向的尺寸也會發(fā)生變化，導(dǎo)致導(dǎo)電路徑的增加并且路徑距離增大或減小，進(jìn)而使得復(fù)合材料的電阻值變化。壓阻式傳感器普遍具有結(jié)構(gòu)簡單、組裝簡便、檢測范圍較寬和傳感信號易于識別等特點，因此也是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器類型。

（2）電容式傳感器主要基于電容器原理，傳統(tǒng)的電容傳感器主要是通過改變平行板的正對面積和平行板間距進(jìn)而改變平行板間容納電荷能力也就是電容，通過測量電容的變化來探測不同的力如壓力、剪切力等。電容式傳感器的主要特點是其對于力的敏感性比較強，可以實現(xiàn)用較低的能耗來檢測微小的靜態(tài)力，具備良好的線性響應(yīng)。

（3）壓電式傳感器主要是利用壓電材料在機械力的作用下可以產(chǎn)生電荷的特性，通過檢測壓電材料在受到外力的作用時產(chǎn)生的電信號來探測機械力的。壓電材料的壓電特性主要是由電偶極矩的存在導(dǎo)致的，而電偶極矩的主要是靠取向的非中心對稱晶體或孔中持續(xù)存在電荷的多孔駐極體。壓電材料的主要性能參數(shù)就是壓電系數(shù)，它是用來衡量壓電材料能量轉(zhuǎn)換效率的物理量，直接關(guān)系到壓電式傳感器的性能。壓電式傳感器的靈敏度普遍較高，但是其柔性和拉伸性能有限并且制備過程相對復(fù)雜。

3 柔性復(fù)合材料的傳感器導(dǎo)電材料的研究進(jìn)展

3.1 金屬材料

金屬材料主要選擇金銀納米顆粒或者納米線等，使用這些金屬納米粒子制備的復(fù)合材料除了具備良好的導(dǎo)電性，還具有良好的穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)較為精確的應(yīng)變/壓力探測。Gong等人采用金納米線與聚二甲基硅氧烷的結(jié)合制備出了一種具有較高靈敏度（大于1.14kPa-1）的和穩(wěn)定性（大于50000次循環(huán)）的壓力傳感器，能夠探測低至 13Pa 的壓力，并且可實現(xiàn)快速響應(yīng)（小于17ms），這種壓力傳感器實現(xiàn)了對人體的部分運動信號監(jiān)測。

3.2 無機半導(dǎo)體材料

無機半導(dǎo)體材料主要以氧化鋅和硫化鋅等為代表，由于其具備優(yōu)異的壓電特性，在柔性可穿戴設(shè)備領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。 Sun等人采用化學(xué)氣相沉積法制備了一種超長氧化鋅納米線，并且用樹脂進(jìn)行包裹組裝了一種超高靈敏度的應(yīng)變傳感器，實現(xiàn)了高達(dá) 1010 的靈敏度系數(shù)。基于無機半導(dǎo)體材料的柔性傳感器在快速響應(yīng)能力和高靈敏度方面比較有優(yōu)勢。

3.3 碳基材料

碳基材料常用的主要有近年來發(fā)展火熱的低維度材料如碳納米管和石墨烯等，由于其兼具導(dǎo)電性和機械柔性以及輕質(zhì)穩(wěn)定等特點，在柔性傳感器的制備方面具有極大的潛力。石墨烯材料作為目前最熱門的碳基材料，具備靈敏度高，機械性能好、導(dǎo)電性優(yōu)異等特點，是一種及其適合制備柔性應(yīng)變/應(yīng)力傳感器的材料。在制備柔性傳感器中被廣泛研究。A.Sakhaee-Pour等論述了單層石墨烯應(yīng)用于應(yīng)力傳感器的潛力，其分子結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究表明之字形邊界和扶手形邊界對應(yīng)力的基本響應(yīng)頻率有所差異，因此單層石墨烯可作為應(yīng)力傳感器。

4 柔性傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢

隨著新材料的不斷開發(fā)以及微納米技術(shù)的進(jìn)步，柔性功能復(fù)合材料也得到了越來越廣泛的關(guān)注和研究，基于柔性功能復(fù)合材料的柔性傳感器也將在未來的智能設(shè)備以及新型可穿戴設(shè)備方面具有越來越重要的地位，縱觀目前國內(nèi)外的研究成果，盡管在柔性功能復(fù)合材料的研究上經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，但在柔性傳感器的制備和應(yīng)用方面還有許多不足之處，例如力學(xué)性能差、不能兼顧柔性和高靈敏度、制備工藝復(fù)雜等依然嚴(yán)重制約著柔性傳感器的發(fā)展。新材料的開發(fā)是目前柔性傳感器良好的發(fā)展契機，石墨烯等新型材料的不斷研究和開發(fā)，給了柔性功能復(fù)合材料良好的發(fā)展機遇，目前國內(nèi)外的研究者正積極研究制備基于石墨烯復(fù)合材料的柔性傳感器，借助石墨烯材料的優(yōu)異性能，發(fā)揮其在應(yīng)變和應(yīng)力監(jiān)測方面的巨大潛力，目前來看設(shè)計一種兼具柔性和高靈敏度，具備良好應(yīng)用前景的傳感器依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王平.仿生傳感技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國醫(yī)療器械雜志，2004，28

（04）：235-238.

[2]劉敏，莊勤亮.智能柔性傳感器的應(yīng)用及其發(fā)展前景[J].紡織科技進(jìn)展，2009（01）：38-40.

[3]蔡依晨，黃維，董曉臣.可穿戴式柔性電子應(yīng)變傳感器[J].科學(xué)通報，2017（07）：635-649.