新型稱重傳感技術(shù)融合了新材料前沿學(xué)科

新型稱重傳感技術(shù)融合了新材料、微機(jī)電、微納米等前沿學(xué)科，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧物流，智慧零售等物聯(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)、電學(xué)特性，在稱重測(cè)力傳感器件方面具有重要應(yīng)用前景。近年來，碳基傳感材料與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)與應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇。本文主要簡(jiǎn)述了碳基傳感材料及其在力傳感器方面的研究與應(yīng)用，討論了以石墨烯、碳納米管等碳材料為基礎(chǔ)的傳感器件結(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)展。不斷創(chuàng)新的行業(yè)模式為稱重傳感器技術(shù)的提升提出了很多新的挑戰(zhàn)。目前，稱重傳感器的技術(shù)局限主要集中于提高傳感器的穩(wěn)定性、抗干擾以及耐腐蝕等性能，以及實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化和平面化等。在過去二十年中，基于金屬箔式應(yīng)變片的稱重傳感器被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中，且已經(jīng)取得了令人矚目的進(jìn)展。但是，受制于金屬應(yīng)變片的自身特性（低靈敏度、低過載能力、易腐蝕等），決定了它們無法滿足日益嚴(yán)苛的行業(yè)需求。

材料科學(xué)的進(jìn)步，使人們可以設(shè)計(jì)和利用各種功能材料制造性能優(yōu)異的傳感器[1]。在眾多新材料中，碳材料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、抗腐蝕、抗干擾等特性，因此，碳基傳感材料也越來越受到大家的關(guān)注。特別是近年來科研界熱捧的石墨烯材料和碳納米管材料，由于具有顯著的力學(xué)、電學(xué)和熱性能，雖然僅被發(fā)現(xiàn)了不足三十年（石墨烯2004年，碳納米管1991年），但已經(jīng)出現(xiàn)了多個(gè)方向的傳感技術(shù)應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)傳感材料的諸多問題。本文將主要介紹幾種常見的碳基傳感新材料，并從新原理、新工藝等方面介紹了一些新型傳感材料在力傳感器方面的主要研究進(jìn)展，希望能夠?qū)π滦头Q重傳感技術(shù)的應(yīng)用和未來發(fā)展為同行提供參考。

石墨烯（Graphene）材料與傳感器件 

與傳統(tǒng)體材料相比，石墨烯的獨(dú)特之處在于它是由一層碳原子排列形成的穩(wěn)定而連續(xù)的二維平面結(jié)構(gòu)。同時(shí)，石墨烯按照一定手性卷起可形成一維的碳納米管,石墨烯多層堆疊則可以形成石墨（如圖1所示）[3]。石墨烯材料具有高的載流子遷移率、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、力學(xué)強(qiáng)度等優(yōu)異性能，在新型傳感器件領(lǐng)域具有很好的發(fā)展?jié)摿4]。石墨烯優(yōu)異的力學(xué)性能與其碳原子之間的化學(xué)鍵和電子結(jié)構(gòu)具有緊密聯(lián)系。由于所有碳原子被束縛在同一個(gè)平面內(nèi)，使其具有超高的強(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)力也可以使材料電阻發(fā)生急劇的變化。

2010年LeeY.等人[5]首先報(bào)道了基于CVD法制備石墨烯的應(yīng)力傳感器，其壓阻靈敏系數(shù)為6.1。一種石墨烯波紋結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳感器，使應(yīng)力測(cè)量范圍超過30%，設(shè)計(jì)了一種基于隧穿效應(yīng)的納米石墨烯薄膜應(yīng)力傳感器，使靈敏系數(shù)提高到500以上，其彎曲與拉伸過程中的重復(fù)電阻特性證明石墨烯可應(yīng)用于高性能應(yīng)力傳感器。Yu等人[7]研究了單層石墨烯應(yīng)力傳感器的可靠性問題，結(jié)果表明單層石墨烯只要在拉伸率低于4.5%范圍以內(nèi)都是可以恢復(fù)的。上述幾種石墨烯傳感器的工作原理主要是利用其壓阻特性。1000mbar（1mbar=102Pa）時(shí)可以準(zhǔn)確測(cè)量壓力。該傳感器沒有遲滯性，且重復(fù)性好。J.Ma等人[9]提出了一種高靈敏度光纖石墨烯壓力傳感器，該傳感器的制造是通過熔融石英毛細(xì)管到單模光纖的末端，在內(nèi)部施加氣壓后毛細(xì)管逐漸變細(xì)，然后熔融毛細(xì)管形成氣腔。石墨烯薄膜覆蓋在圓柱形空腔上，不但可以檢測(cè)外部壓力變化，而且可以對(duì)空腔起密封作用。該傳感器溫度敏感性低，并具有應(yīng)用于惡劣環(huán)境的潛力，但是上述兩類傳感器的共同缺點(diǎn)是密封空腔內(nèi)氣體長期使用會(huì)有輕微泄漏。

碳納米管（CNT）材料與傳感器件

CNT的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，根據(jù)直徑和管壁的螺旋角不同，CNT既可表現(xiàn)出金屬的導(dǎo)電特性，也可出現(xiàn)半導(dǎo)體特性，同時(shí)具有良好的導(dǎo)熱特性，可應(yīng)用于多種傳感器件[10]。CNT具有優(yōu)異的導(dǎo)電和電荷存儲(chǔ)能力，良好的機(jī)械性能，在拉伸時(shí)不容易斷裂，由于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨應(yīng)力發(fā)生密度變化從而導(dǎo)致電阻的變化，因此可通過檢測(cè)器件電阻或者電容變化獲取施加力的大小。將一維的CNT和零維的金屬納米顆粒復(fù)合，能提高器件的靈敏度、恢復(fù)性和穩(wěn)定性[4]。Zhang等人通過CNT和銀納米顆粒復(fù)合，制備出拉伸度大且靈敏度高的拉力傳感器[11]。Cai等人[12]將Ti3C2TxMXene與CNTs復(fù)合制備出用于應(yīng)變傳感器的新型材料，該應(yīng)變傳感器具有超低檢測(cè)極限（0.1%應(yīng)變），高拉伸性（達(dá)130％），高靈敏度（靈敏度系數(shù)~772.6），可調(diào)節(jié)的應(yīng)變檢測(cè)范圍（30-130%），超薄器件尺寸（<2μm）及優(yōu)異的耐久性和穩(wěn)定性（>5000次循環(huán)）。

其他碳基材料與傳感器件

石墨產(chǎn)品具有良好的耐高溫性、電學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性以及可塑性，抗熱震等特殊性能，是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的高性能廉價(jià)材料。石墨、炭黑等碳基材料已被廣泛地應(yīng)用于柔性測(cè)力傳感器。具有低電阻率的碳系微納米級(jí)材料，如炭黑、石墨被填充到絕緣的高分子聚合物基體中，可形成半導(dǎo)體或?qū)w材料[13]。WANG等[14]研究了炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的力敏性質(zhì)并制備了陣列式柔性力敏傳感器，在0～2MPa范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較高的測(cè)量精度。YI等[15]采用二甲基硅油作為稀釋劑和增塑劑，將導(dǎo)電炭黑納米顆粒填充到有機(jī)硅彈性體復(fù)合材料中，制造具有應(yīng)用潛能的應(yīng)變傳感器。He等[16]基于改性石墨/PU復(fù)合薄膜制備了低成本、高靈敏度、重復(fù)性好并工藝簡(jiǎn)單的柔性測(cè)力傳感器。

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，因此在工程承載上已有廣泛應(yīng)用。同時(shí)，研究和實(shí)驗(yàn)表明，CFRP還具有良好電阻應(yīng)變效應(yīng)，因此也是新型的傳感材料。黃俊捷等[17]利用CFRP的力阻效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)變傳感器用于復(fù)雜受力狀況下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，取得了很好的效果，CFRP傳感材料能夠較為直觀地反映以上結(jié)構(gòu)信息。

評(píng)價(jià)稱重傳感器好壞的性能指標(biāo)主要有非線性、滯后、重復(fù)性、蠕變、零點(diǎn)溫度特性和靈敏度溫度特性等。另外，在很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合中，還需要考慮傳感材料應(yīng)具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬和響應(yīng)時(shí)間快等關(guān)鍵特性。因此，為了開發(fā)出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的新型稱重測(cè)力傳感器件，研究時(shí)應(yīng)考慮上述幾個(gè)重要指標(biāo)。

基于碳基傳感材料的力傳感器有壓阻式、電容式、壓電式、諧振式以及光纖式等等。其中，壓阻式測(cè)力傳感器是基于敏感材料的電阻率變化，將力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。由于壓阻式傳感器工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電容式測(cè)力傳感器可以看作是可變參數(shù)的電容器，例如兩個(gè)平行電極間以空氣為介質(zhì)，在壓力的作用下，平行電極間的距離變化會(huì)導(dǎo)致電容信號(hào)改變，從而得到相應(yīng)的受力信息。電容式傳感器的優(yōu)勢(shì)在于靈敏度高，能夠在低耗能情況下檢測(cè)微小靜態(tài)力。因此，基于上述兩種敏感機(jī)理的碳基力傳感器是目前主要的研究方向，相關(guān)研究成果最多。

研究結(jié)果表明，碳基傳感材料具有高靈敏度，在動(dòng)態(tài)測(cè)量、小力值測(cè)量等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前主要存在的問題在于，碳基傳感器件或其原材料的制備很多涉及蒸鍍、光刻等微納加工方式，目前的成本還比較高、工序復(fù)雜，不利于在稱重測(cè)力傳感器中的應(yīng)用推廣。另外，碳基稱重測(cè)力傳感器的性能影響因素還缺乏系統(tǒng)研究，特別是對(duì)于如何構(gòu)建具有靈敏度高、穩(wěn)定性好的高精度稱重傳感元件仍有必要進(jìn)一步分析研究。因此，開發(fā)一種低成本、適合大批量生產(chǎn)的制備與封裝方法，并系統(tǒng)研究測(cè)力傳感器的性能影響因素具有重要的科研和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前，新一輪技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革正蓄勢(shì)待發(fā)，學(xué)科之間相互交叉融合、互相滲透，新型傳感器件將進(jìn)入一個(gè)重要的發(fā)展時(shí)期。碳基傳感材料具有一系列適合于測(cè)力傳感器應(yīng)用的優(yōu)異性質(zhì)，研究人員已經(jīng)做了很多相關(guān)研究，并取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。雖然目前高性能碳基傳感材料與器件的研究與開發(fā)仍然存在許多挑戰(zhàn)，但是我們相信未來必將有更多的新型材料應(yīng)用于稱重傳感技術(shù)，推動(dòng)稱重技術(shù)的前進(jìn)和發(fā)展。

深圳市力準(zhǔn)傳感技術(shù)有限公司是各種高精度三維力傳感器、三軸力傳感器、扭矩傳感器、稱重傳感器、柱式傳感器的專業(yè)制造商，也是集生產(chǎn)、銷售、售后為一體的綜合性技術(shù)創(chuàng)新企業(yè)。

主要產(chǎn)品有多個(gè)品種的稱重、測(cè)力、壓力、扭矩傳感器等千余款產(chǎn)品。稱重范圍小到幾克，大到1000多噸；有適用于各種惡劣環(huán)境的高、中、低溫傳感器和高防護(hù)等級(jí)傳感器。這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、紡織、電子、油田、化工、機(jī)械加工、能源、環(huán)保、醫(yī)療、交通、建材等領(lǐng)域自動(dòng)化工程的檢測(cè)和過程控制。

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