南澳大利亚学马军教授：应变传感器综述

高分子科学前沿 20200217

可拉伸应变传感器

随着对软质电子元器件的需求，可拉伸应变传感器逐渐成了一个热门研究课题。该综述力图从传统的应变传感器件的发展为基于纳米复合材料的可拉伸应变传感器找到快捷的发展途径。文章详实地回顾和解释了表征传统应变传感器的重要参数：敏感系数、拉伸度、线性、迟滞、可靠性；同时阐述了这些参数对可拉伸应变传感器的实际意义和应用。下文略作说明：

敏感系数（也称为Gauge Factor）是一个表征传感器敏感度的参数, 它是传感曲线(sensitivity graph)的斜率。敏感系数并不是把传感器升级成量具的依据；标定（calibration）是把传感器升级成量具的必备过程。因为标定的根本依据是输入-输出关系，所以如果一个传感器只有一个固定的敏感系数（表示输入-输出的曲线是一条直线），则代表了标定的程序将会比较简单。

拉伸度（stretchability）是具有可重复性的最大形变。硅拥有在断裂之前最完美的弹性形变达1%，其值是金属的10倍。为了提高传感器的拉伸度，传统传感材料被用于参与各种各样的设计。然而不断提高的拉伸度的需求让传统的传感材料望尘莫及。这就把研究的风向标指向了聚合物/纳米材料。可是，一些报道的聚合物传感材料的拉伸度是在传感器断裂时候的值，忽略了可重复性。这是一个值得讨论的问题。

线性（linearity）是一个统计学术语，它代表了测量的数据有多靠近线性回归分析线。线性回归分析线包括直线和曲线。线性用R² 来表示，其值介于0-100%之间，越高的值代表测量数据越靠近分析线，换言之，分析准确度越高。曾一度困扰作者们的是，一些报道把传感曲线划分成多个没有直接关系的，接近直线的区间以获得几个固定的敏感系数值。这个问题也许有待深入探讨。

迟滞（hysteresis）指传感滞后行为。迄今为止，常用的两种表征迟滞的方法分别为：(i) 在拉伸和回缩到相同形变的情况下，输出信号之间的差距；(ii) 施变和应变之间的时间差。

图文速递

在回顾拉伸应变传感器中，文章讨论了是否有必要无休止的追求各种表征参数值的最大化，提出参数契合实际应用的现实意义，同时特别强调了传感器必须具备可靠性。对拉伸应变传感器继往开来的研究中，致力于同时拥有优异的参数值已经取得了显著成效。但是，对于传感的可靠性却显有报道。

可靠性（reliability）是传感器作为量具必不可少的条件之一，其不但包括循环和环境影响的稳定而且应该考虑传感曲线的单调性（monotonicity）。谈及传感曲线的单调性，分辨率往往是一个连带的因素，因为一个量具（例如尺）总需要有它最小最准的可测量单位也就是分辨率。那分辨率为什么要和传感曲线的单调性联系到一起呢？以下举例说明。一条电阻式传感曲线总体呈上升趋势，但在0.1 – 0.9% 和 2.2 – 2.8%的应变范围内出现上下波动现象，也就是一个电阻变化值对应着不只一个应变值，即非单调性。这样， 0.3%应变值作为测量给出的最小刻度（分辨率）是不完全可靠的。但是，如果以1% 应变值作为测量给出的最小刻度（分辨率）读出的数据却是可靠的，因为每1%应变值所对应的曲线是单调的，应变值和电阻变化值是一一对应关系。图3b 是对分辨率下的传感曲线单调性的图示说明，从图中红色曲线可以看出，以100%应变值为分辨率则可以判断该曲线呈单调上升趋势；而以2%为分辨率（3b中的放大小图）则可该曲线则是非单调的。

对于传统的应变传感器，分别对金属和半导体传感器的材料、设计、性能和应用作了回顾。值得一提的是：当传统的应变传感器作为量具使用时，测量说明是必备的与之共存的产物。文中对这些测量说明给予了列表举例。既然在传感器发展路途上没有万古不变的规则，作者们建议以具体应用为出发点去研究与之匹配的拉伸应变传感器。

关于拉伸应变传感器从碳纳米材料到导电纤维材料，文章对起其发展历程作了回顾和列表总结。下面是来源于综述的一些图片，具体内容请参阅原文：

最终，文章讨论了拉伸应变传感器发展中的挑战: (i）是否可以把已经研发的拉伸应变传感器升级成量具；(ii) 传感的可靠性，尤其作为可靠的量具；（iii）传感器与软电子产品的集成；（iv）一个传感器可以适用到好多应用中；（v）传感器以及其配套的供能和数据储存系统可以有比较理想的使用寿命。挑战虽大但机遇总是与之并存的，文章以积极展望未来的态度结束全文。

参考文献：

Aidong Qiu, Peilin Li, Zhaoku Yang, Yu Yao, Ivan Lee, Jun Ma, Advanced Functional Materials, 2019, 1806306

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201806306

马军研究团队介绍：

本课题组作为澳大利亚高分子材料加工及纳米复合材料的主要研究团队之一，围绕热固性高分子材料及石墨烯功能复合材料加工新方法等研究方向，取得了多项具有自主知识产权的特色科研成果，如热膨胀法制备石墨烯小片，多孔导电高分子复合技术，聚合物纳米复合界面调控技术等。近10年承担了Australian Research Council Discovery Project and Linkage Project and various industrial project 12项。

来源：高分子科学前沿

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