基于碳基传感材料的力传感器的知识

新型称重传感技术集新材料、微机电、微纳米等前沿学科于一体，是精准农业、智能物流、智能零售等物联网应用的技术关键。智能化、微型化、平面化、低成本、高灵敏度、高可靠性是新型称重传感器件的发展趋势和主要研究方向。碳材料具有极其优异的力学和电学性能，在称重测力传感器件中具有重要的应用前景。近年来，碳基传感材料和传感器件的研究方兴未艾，为称重测力传感技术的深入开发和应用带来了新的机遇。本文主要简要介绍了碳基传感材料及其在力传感器中的研究和应用，并讨论了基于石墨烯、碳纳米管等碳材料的传感器部件的结构原理和制造方法的相关进展。近年来，随着物联网的快速发展，称重传感器的应用领域也在不断扩大。不断创新的行业模式是称重传感器技术，提出了许多目标传感器。

与传统材料相比，石墨烯的独特之处在于它是一个稳定和连续的二维平面结构，由一层碳原子排列而成。同时，石墨烯可以根据一定的手性滚动形成一维碳纳米管，石墨烯可以通过多层堆叠形成石墨。石墨烯优异的机械性能与碳原子的化学键和电子结构密切相关。由于所有碳原子都被捆绑在同一平面上，因此它们具有超高的强度、刚度和韧性以及作为二维材料带来的独特变形机制。同时，石墨烯材料的高迁移率意味着，只要施加较小的应力，材料的电阻就会急剧变化。

一种石墨烯波纹结构应力传感器设计了一种基于隧道穿透效应的纳米石墨烯薄膜应力传感器，其灵敏度提高到500以上。其在弯曲和拉伸过程中的重复电阻特性证明，石墨烯可用于高性能应力传感器。称重传感器的性能指标主要包括非线性、滞后性、重复性、蠕变性、零温度特性和灵敏度温度特性。此外，在许多物联网应用中，传感材料应具有高灵敏度、测量范围宽、响应时间快等关键特性。

基于碳基传感材料的力传感器包括电阻、电容、压电、谐振、光纤等。其中，电阻测量传感器是基于敏感材料的电阻率变化，将机械量转化为电信号。由于电阻传感器工艺简单，成本低，在许多领域得到了广泛的应用。电容测量传感器可以看作是一个具有可变参数的电容器。例如，两个平行电极之间的空气作为介质。在压力的作用下，平行电极之间的距离变化会导致电容信号的变化，从而获得相应的应力信息。电容传感器的优点是灵敏度高，在低能耗的情况下可以检测到微静力。因此，基于上述两种敏感机制的碳基传感器是主要的研究方向，相关研究结果最多。

碳基传感材料具有较高的灵敏度，在动态测量和小力值测量方面具有显著的优势。目前，主要问题是许多碳基传感器件或其原材料的制备涉及蒸发、光刻等微纳加工方法。目前，成本仍然相对较高，工艺复杂，不利于称重测量传感器的应用和推广。此外，还缺乏系统地研究传感器的性能影响因素的系统研究，特别是有必要进一步分析和研究如何构建高灵敏度和良好稳定性的高精度称重传感器元件。因此，开发一种适合大规模生产的低成本制备和包装方法，系统地研究力传感器的性能影响因素具有重要的科学研究和实际应用价值。