复合材料柔性传感器及其发展趋势

赵钰 韩森森 孟庆实

摘 要：随着电子设备的迅速发展，复合材料柔性传感器在可穿戴设备、健康监测以及智能机器人等方面的巨大发展潜力得到了广泛的关注和研究。石墨烯作为新一代纳米级碳材料，具备良好的机械、导电性能以及传感功能性能，是制备复合材料传感器的理想材料。本文主要介绍了当下比较热门的几种复合材料传感器，通过对它们目前相关性能研究探索了基于多种不同的复合材料在柔性传感器方面的应用现状。

关键词：柔性传感器；灵敏度系数；石墨烯

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

1 引言

柔性传感器主要指采用柔性材料制造的传感器，具备良好的柔韧性、可拉伸性、可以自由弯曲甚至折叠，结构形式灵活多样，能够非常方便地对被测量进行检测。而根据其功能的不同可分为柔性应变/应力传感器、柔性气体传感器、柔性湿度传感器、柔性温度传感器等，不同的功能主要取决于柔性传感器的敏感单元的选择。而其中柔性应变/应力传感器主要是基于柔性导电材料和柔性基材，通过测量导电材料电阻值的变化检测应变和应力，其中应力传感器又主要以压力传感器为主。目前柔性应变/应力传感器在电子皮肤、医疗保健、运动器材、等领域受到广泛应用[1，2]。

2 柔性传感器的传感机理

柔性应变/应力传感器的传感机理是指传感器将被测的应变/应力信号转化为电信号的信号转换机制，主要分为压阻效应，电容效应和压电效应三大部分[3]。主要通过灵敏度系数表明传感器的性能的高低。

（1）压阻式传感器主要功能是将外力转化为电阻的变化，由于外力会导致导电物质间导电路径的变化，进而会产生电阻的变化。当导电复合材料在承受压力时，其内部导电物质间的间距会发生变化并且其本身在受力方向的尺寸也会发生变化，导致导电路径的增加并且路径距离增大或减小，进而使得复合材料的电阻值变化。压阻式传感器普遍具有结构简单、组装简便、检测范围较宽和传感信号易于识别等特点，因此也是目前应用最广泛的传感器类型。

（2）电容式传感器主要基于电容器原理，传统的电容传感器主要是通过改变平行板的正对面积和平行板间距进而改变平行板间容纳电荷能力也就是电容，通过测量电容的变化来探测不同的力如压力、剪切力等。电容式传感器的主要特点是其对于力的敏感性比较强，可以实现用较低的能耗来检测微小的静态力，具备良好的线性响应。

（3）压电式传感器主要是利用压电材料在机械力的作用下可以产生电荷的特性，通过检测压电材料在受到外力的作用时产生的电信号来探测机械力的。压电材料的压电特性主要是由电偶极矩的存在导致的，而电偶极矩的主要是靠取向的非中心对称晶体或孔中持续存在电荷的多孔驻极体。压电材料的主要性能参数就是压电系数，它是用来衡量压电材料能量转换效率的物理量，直接关系到压电式传感器的性能。压电式传感器的灵敏度普遍较高，但是其柔性和拉伸性能有限并且制备过程相对复杂。

3 柔性复合材料的传感器导电材料的研究进展

3.1 金属材料

金属材料主要选择金银纳米颗粒或者纳米线等，使用这些金属纳米粒子制备的复合材料除了具备良好的导电性，还具有良好的稳定性，可以实现较为精确的应变/压力探测。Gong等人采用金纳米线与聚二甲基硅氧烷的结合制备出了一种具有较高灵敏度（大于1.14kPa-1）的和稳定性（大于50000次循环）的压力传感器，能够探测低至 13Pa 的压力，并且可实现快速响应（小于17ms），这种压力传感器实现了对人体的部分运动信号监测。

3.2 无机半导体材料

无机半导体材料主要以氧化锌和硫化锌等为代表，由于其具备优异的压电特性，在柔性可穿戴设备领域展现出了广阔的应用前景。 Sun等人采用化学气相沉积法制备了一种超长氧化锌纳米线，并且用树脂进行包裹组装了一种超高灵敏度的应变传感器，实现了高达 1010 的灵敏度系数。基于无机半导体材料的柔性传感器在快速响应能力和高灵敏度方面比较有优势。

3.3 碳基材料

碳基材料常用的主要有近年来发展火热的低维度材料如碳纳米管和石墨烯等，由于其兼具导电性和机械柔性以及轻质稳定等特点，在柔性传感器的制备方面具有极大的潜力。石墨烯材料作为目前最热门的碳基材料，具备灵敏度高，机械性能好、导电性优异等特点，是一种及其适合制备柔性应变/应力传感器的材料。在制备柔性传感器中被广泛研究。A.Sakhaee-Pour等论述了单层石墨烯应用于应力传感器的潜力，其分子结构的力学性能研究表明之字形边界和扶手形边界对应力的基本响应频率有所差异，因此单层石墨烯可作为应力传感器。

4 柔性传感器的发展现状及未来趋势

随着新材料的不断开发以及微纳米技术的进步，柔性功能复合材料也得到了越來越广泛的关注和研究，基于柔性功能复合材料的柔性传感器也将在未来的智能设备以及新型可穿戴设备方面具有越来越重要的地位，纵观目前国内外的研究成果，尽管在柔性功能复合材料的研究上经历了几十年的发展已经取得了较大的进步，但在柔性传感器的制备和应用方面还有许多不足之处，例如力学性能差、不能兼顾柔性和高灵敏度、制备工艺复杂等依然严重制约着柔性传感器的发展。新材料的开发是目前柔性传感器良好的发展契机，石墨烯等新型材料的不断研究和开发，给了柔性功能复合材料良好的发展机遇，目前国内外的研究者正积极研究制备基于石墨烯复合材料的柔性传感器，借助石墨烯材料的优异性能，发挥其在应变和应力监测方面的巨大潜力，目前来看设计一种兼具柔性和高灵敏度，具备良好应用前景的传感器依然是一个巨大的挑战。

参考文献：

[1]王平.仿生传感技术的研究进展[J].中国医疗器械杂志，2004，28

（04）：235-238.

[2]刘敏，庄勤亮.智能柔性传感器的应用及其发展前景[J].纺织科技进展，2009（01）：38-40.

[3]蔡依晨，黄维，董晓臣.可穿戴式柔性电子应变传感器[J].科学通报，2017（07）：635-649.