基于碳基傳感材料的力傳感器的知識(shí)

新型稱重傳感技術(shù)集新材料、微機(jī)電、微納米等前沿學(xué)科于一體，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能物流、智能零售等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。智能化、微型化、平面化、低成本、高靈敏度、高可靠性是新型稱重傳感器件的發(fā)展趨勢(shì)和主要研究方向。碳材料具有極其優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，在稱重測(cè)力傳感器件中具有重要的應(yīng)用前景。近年來，碳基傳感材料和傳感器件的研究方興未艾，為稱重測(cè)力傳感技術(shù)的深入開發(fā)和應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇。本文主要簡(jiǎn)要介紹了碳基傳感材料及其在力傳感器中的研究和應(yīng)用，并討論了基于石墨烯、碳納米管等碳材料的傳感器部件的結(jié)構(gòu)原理和制造方法的相關(guān)進(jìn)展。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，稱重傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。不斷創(chuàng)新的行業(yè)模式是稱重傳感器技術(shù)，提出了許多目標(biāo)傳感器。

與傳統(tǒng)材料相比，石墨烯的獨(dú)特之處在于它是一個(gè)穩(wěn)定和連續(xù)的二維平面結(jié)構(gòu)，由一層碳原子排列而成。同時(shí)，石墨烯可以根據(jù)一定的手性滾動(dòng)形成一維碳納米管，石墨烯可以通過多層堆疊形成石墨。石墨烯優(yōu)異的機(jī)械性能與碳原子的化學(xué)鍵和電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由于所有碳原子都被捆綁在同一平面上，因此它們具有超高的強(qiáng)度、剛度和韌性以及作為二維材料帶來的獨(dú)特變形機(jī)制。同時(shí)，石墨烯材料的高遷移率意味著，只要施加較小的應(yīng)力，材料的電阻就會(huì)急劇變化。

一種石墨烯波紋結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)了一種基于隧道穿透效應(yīng)的納米石墨烯薄膜應(yīng)力傳感器，其靈敏度提高到500以上。其在彎曲和拉伸過程中的重復(fù)電阻特性證明，石墨烯可用于高性能應(yīng)力傳感器。稱重傳感器的性能指標(biāo)主要包括非線性、滯后性、重復(fù)性、蠕變性、零溫度特性和靈敏度溫度特性。此外，在許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，傳感材料應(yīng)具有高靈敏度、測(cè)量范圍寬、響應(yīng)時(shí)間快等關(guān)鍵特性。

基于碳基傳感材料的力傳感器包括電阻、電容、壓電、諧振、光纖等。其中，電阻測(cè)量傳感器是基于敏感材料的電阻率變化，將機(jī)械量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。由于電阻傳感器工藝簡(jiǎn)單，成本低，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。電容測(cè)量傳感器可以看作是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。例如，兩個(gè)平行電極之間的空氣作為介質(zhì)。在壓力的作用下，平行電極之間的距離變化會(huì)導(dǎo)致電容信號(hào)的變化，從而獲得相應(yīng)的應(yīng)力信息。電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，在低能耗的情況下可以檢測(cè)到微靜力。因此，基于上述兩種敏感機(jī)制的碳基傳感器是主要的研究方向，相關(guān)研究結(jié)果最多。

碳基傳感材料具有較高的靈敏度，在動(dòng)態(tài)測(cè)量和小力值測(cè)量方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。目前，主要問題是許多碳基傳感器件或其原材料的制備涉及蒸發(fā)、光刻等微納加工方法。目前，成本仍然相對(duì)較高，工藝復(fù)雜，不利于稱重測(cè)量傳感器的應(yīng)用和推廣。此外，還缺乏系統(tǒng)地研究傳感器的性能影響因素的系統(tǒng)研究，特別是有必要進(jìn)一步分析和研究如何構(gòu)建高靈敏度和良好穩(wěn)定性的高精度稱重傳感器元件。因此，開發(fā)一種適合大規(guī)模生產(chǎn)的低成本制備和包裝方法，系統(tǒng)地研究力傳感器的性能影響因素具有重要的科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。