復合材料柔性傳感器及其發展趨勢

趙鈺 韓森森 孟慶實

摘 要：隨著電子設備的迅速發展，復合材料柔性傳感器在可穿戴設備、健康監測以及智能機器人等方面的巨大發展潛力得到了廣泛的關注和研究。石墨烯作為新一代納米級碳材料，具備良好的機械、導電性能以及傳感功能性能，是制備復合材料傳感器的理想材料。本文主要介紹了當下比較熱門的幾種復合材料傳感器，通過對它們目前相關性能研究探索了基于多種不同的復合材料在柔性傳感器方面的應用現狀。

關鍵詞：柔性傳感器；靈敏度系數；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，結構形式靈活多樣，能夠非常方便地對被測量進行檢測。而根據其功能的不同可分為柔性應變/應力傳感器、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。而其中柔性應變/應力傳感器主要是基于柔性導電材料和柔性基材，通過測量導電材料電阻值的變化檢測應變和應力，其中應力傳感器又主要以壓力傳感器為主。目前柔性應變/應力傳感器在電子皮膚、醫療保健、運動器材、等領域受到廣泛應用[1，2]。

2 柔性傳感器的傳感機理

柔性應變/應力傳感器的傳感機理是指傳感器將被測的應變/應力信號轉化為電信號的信號轉換機制，主要分為壓阻效應，電容效應和壓電效應三大部分[3]。主要通過靈敏度系數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化為電阻的變化，由于外力會導致導電物質間導電路徑的變化，進而會產生電阻的變化。當導電復合材料在承受壓力時，其內部導電物質間的間距會發生變化并且其本身在受力方向的尺寸也會發生變化，導致導電路徑的增加并且路徑距離增大或減小，進而使得復合材料的電阻值變化。壓阻式傳感器普遍具有結構簡單、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，可以實現用較低的能耗來檢測微小的靜態力，具備良好的線性響應。

（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生電荷的特性，通過檢測壓電材料在受到外力的作用時產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存在電荷的多孔駐極體。壓電材料的主要性能參數就是壓電系數，它是用來衡量壓電材料能量轉換效率的物理量，直接關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雜。

3 柔性復合材料的傳感器導電材料的研究進展

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合材料除了具備良好的導電性，還具有良好的穩定性，可以實現較為精確的應變/壓力探測。Gong等人采用金納米線與聚二甲基硅氧烷的結合制備出了一種具有較高靈敏度（大于1.14kPa-1）的和穩定性（大于50000次循環）的壓力傳感器，能夠探測低至 13Pa 的壓力，并且可實現快速響應（小于17ms），這種壓力傳感器實現了對人體的部分運動信號監測。

3.2 無機半導體材料

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

3.3 碳基材料

碳基材料常用的主要有近年來發展火熱的低維度材料如碳納米管和石墨烯等，由于其兼具導電性和機械柔性以及輕質穩定等特點，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、導電性優異等特點，是一種及其適合制備柔性應變/應力傳感器的材料。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用于應力傳感器的潛力，其分子結構的力學性能研究表明之字形邊界和扶手形邊界對應力的基本響應頻率有所差異，因此單層石墨烯可作為應力傳感器。

4 柔性傳感器的發展現狀及未來趨勢

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

參考文獻：

[1]王平.仿生傳感技術的研究進展[J].中國醫療器械雜志，2004，28

（04）：235-238.

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

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