摘要
新型稱重傳感技術融合了新材料、微機電、微納米等前沿學科，是精準農業、智慧物流， 智慧零售等物聯網應用的技術關鍵。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展趨勢和主要研究方向。碳材料具有極其優異的力學、電學特性，在稱重測力 傳感器件方面具有重要應用前景。近年來，碳基傳感材料與傳感器件的研究方興未艾，為稱重測力 傳感技術的深入開發與應用帶來了新的機遇。本文主要簡述了碳基傳感材料及其在力傳感器方面的 研究與應用，討論了以石墨烯、碳納米管等碳材料為基礎的傳感器件結構原理和製造方法的相關進展。
關鍵詞
稱重傳感器
力傳感器
石墨烯
碳納米管
碳材料
引言
近年來，隨著物聯網的快速發展，稱重傳感器的應用領域也在不斷擴展。不斷創新的行業模式 為稱重傳感器技術的提升提出了很多新的挑戰。目前，稱重傳感器的技術局限主要集中於提高傳感 器的穩定性、抗幹擾以及耐腐蝕等性能，以及實現傳感器的微型化和平面化等。在過去二十年中， 基於金屬箔式應變片的稱重傳感器被廣泛應用於各個行業中，且已經取得了令人矚目的進展。但是， 受制於金屬應變片的自身特性（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 苛的行業需求。
材料科學的進步，使人們可以設計和利用各種功能材料製造性能優異的傳感器[1]。在眾多新材 料中，碳材料具有優異的高溫穩定性、抗腐蝕、抗幹擾等特性，因此，碳基傳感材料也越來越受到 大家的關注。特別是近年來科研界熱捧的石墨烯材料和碳納米管材料，由於具有顯著的力學、電學 和熱性能，雖然僅被發現了不足三十年（石墨烯 2004 年，碳納米管 1991 年），但已經出現了多個 方向的傳感技術應用，有效解決了傳統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，並從新原理、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展，希 望能夠對新型稱重傳感技術的應用和未來發展為同行提供參考。
01
石墨烯（Graphene）材料與傳感器件
2004 年曼徹斯特大學 Novoselov K.S. 和 Geim A.K. 採用膠帶從高定向石墨中剝離出石墨烯，開 啟了世界範圍內石墨烯研究的裡程[2]。與傳統體材料相比，石墨烯的獨特之處在於它是由一層碳原子排列形成的穩定而連續的二維平面結構。同時，石墨烯按照一定手性捲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、電導率、熱 導率、力學強度等優異性能，在新型傳感器件領域具有很好的發展潛力 [4]。石墨烯優異的力學性能 與其碳原子之間的化學鍵和電子結構具有緊密聯繫。由於所有碳原子被束縛在同一個平面內，使其 具有超高的強度、剛度和韌性以及作為二維材料帶來的獨特變形機制。同時，石墨烯材料的高遷移 率意味著只要施加較小的應力也可以使材料電阻發生急劇的變化。
圖1. 石墨烯是構成富勒烯（左）、碳納米管（中）和石墨（右）的基礎材料[3]
2010 年 Lee Y. 等人[5] 首先報導了基於 CVD 法製備石墨烯的應力傳感器，其壓阻靈敏係數為 6.1。Zhang 課題組[6] 提出了一種石墨烯波紋結構應力傳感器，使應力測量範圍超過 30%，設計了一種基 於隧穿效應的納米石墨烯薄膜應力傳感器，使靈敏係數提高到 500 以上，其彎曲與拉伸過程中的重 復電阻特性證明石墨烯可應用於高性能應力傳感器。Yu 等人[7] 研究了單層石墨烯應力傳感器的可靠 性問題，結果表明單層石墨烯只要在拉伸率低於 4.5% 範圍以內都是可以恢復的。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。
Dolleman 等人[8] 提出一種諧振式石墨烯薄膜壓力傳感器。基於多層石墨烯薄膜被擠壓時內部環 境氣體發生變化而使薄膜的共振頻率改變，當薄膜共振頻率在4MHz、8～ 1000mbar（1mbar=102Pa） 時可以準確測量壓力。該傳感器沒有遲滯性，且重複性好。J.Ma 等人[9] 提出了一種高靈敏度光纖石 墨烯壓力傳感器，該傳感器的製造是通過熔融石英毛細管到單模光纖的末端，在內部施加氣壓後毛 細管逐漸變細，然後熔融毛細管形成氣腔。石墨烯薄膜覆蓋在圓柱形空腔上，不但可以檢測外部壓 力變化，而且可以對空腔起密封作用。該傳感器溫度敏感性低，並具有應用於惡劣環境的潛力，但 是上述兩類傳感器的共同缺點是密封空腔內氣體長期使用會有輕微洩漏。
02
碳納米管（CNT）材料與傳感器件
CNT 的性質與其結構密切相關，根據直徑和管壁的螺旋角不同，CNT 既可表現出金屬的導電特性，也可出現半導體特性，同時具有良好的導熱特性，可應用於多種傳感器件[10]。CNT 具有優 異的導電和電荷存儲能力，良好的機械性能，在拉伸時不容易斷裂，由於其網絡結構隨應力發生密度變化從而導致電阻的變化，因此可通過檢測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複合，能提高器件的靈敏度、恢復性和穩定性[4]。Zhang 等人通過CNT 和銀納米顆粒複合，製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 複合製備出用於應變傳感器的新型材料，該應變傳感器具有超低檢測極限（0.1% 應變），高拉伸性（達130％），高靈敏度（靈敏度係數 ~772.6），可調節的應變檢測範圍（30-130%），超薄器件尺寸（5000 次循環）。
03
其他碳基材料與傳感器件
石墨產品具有良好的耐高溫性、電學性能、化學穩定性以及可塑性，抗熱震等特殊性能，是工業生產中不可或缺的高性能廉價材料。石墨、炭黑等碳基材料已被廣泛地應用於柔性測力傳感器。具有低電阻率的碳系微納米級材料，如炭黑、石墨被填充到絕緣的高分子聚合物基體中，可形成半導體或導體材料[13]。WANG 等[14] 研究了炭黑/ 矽橡膠複合材料的力敏性質並製備了陣列式柔性力敏傳感器，在0～ 2MPa 範圍內實現了較高的測量精度。YI 等[15] 採用二甲基矽油作為稀釋劑和增塑劑，將導電炭黑納米顆粒填充到有機矽彈性體複合材料中，製造具有應用潛能的應變傳感器。He 等[16] 基於改性石墨/PU 複合薄膜製備了低成本、高靈敏度、重複性好並工藝簡單的柔性測力傳感器。
碳纖維複合材料(CFRP) 具有強度高、質量輕、耐腐蝕和抗疲勞等優點，因此在工程承載上已有 廣泛應用。同時，研究和實驗表明，CFRP 還具有良好電阻應變效應，因此也是新型的傳感材料。黃俊捷等 [17] 利用CFRP 的力阻效應設計了一種應變傳感器用於複雜受力狀況下的結構狀態監測，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構信息。
04
現狀討論
評價稱重傳感器好壞的性能指標主要有非線性、滯後、重複性、蠕變、零點溫度特性和靈敏度溫度特性等。另外，在很多物聯網應用場合中，還需要考慮傳感材料應具有靈敏度高、測量範圍寬 和響應時間快等關鍵特性。因此，為了開發出具有實際應用價值的新型稱重測力傳感器件，研究時應考慮上述幾個重要指標。
基於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 阻式測力傳感器是基於敏感材料的電阻率變化，將力學量轉化為電信號。由於壓阻式傳感器工藝簡單、成本低廉，在許多領域有著廣泛的應用。電容式測力傳感器可以看作是可變參數的電容器，例如兩個平行電極間以空氣為介質，在壓力的作用下，平行電極間的距離變化會導致電容信號改變，從而得到相應的受力信息。電容式傳感器的優勢在於靈敏度高，能夠在低耗能情況下檢測微小靜態力。因此，基於上述兩種敏感機理的碳基力傳感器是目前主要的研究方向，相關研究成果最多。
研究結果表明，碳基傳感材料具有高靈敏度，在動態測量、小力值測量等方面具有顯著優勢。目前主要存在的問題在於，碳基傳感器件或其原材料的製備很多涉及蒸鍍、光刻等微納加工方式， 目前的成本還比較高、工序複雜，不利於在稱重測力傳感器中的應用推廣。另外，碳基稱重測力傳 感器的性能影響因素還缺乏系統研究，特別是對於如何構建具有靈敏度高、穩定性好的高精度稱重 傳感元件仍有必要進一步分析研究。因此，開發一種低成本、適合大批量生產的製備與封裝方法， 並系統研究測力傳感器的性能影響因素具有重要的科研和實際應用價值。
05
結束語
當前，新一輪技術革命和產業變革正蓄勢待發，學科之間相互交叉融合、互相滲透，新型傳感器件將進入一個重要的發展時期。碳基傳感材料具有一系列適合於測力傳感器應用的優異性質，研 究人員已經做了很多相關研究，並取得了不錯的進展。雖然目前高性能碳基傳感材料與器件的研究 與開發仍然存在許多挑戰，但是我們相信未來必將有更多的新型材料應用於稱重傳感技術，推動稱 重技術的前進和發展。
參考文獻
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