電子皮膚因其能夠集成多種不同傳感功能來(lái)感受來(lái)自于外界環(huán)境的各種刺激（如：壓力、溫度等），并且在結(jié)構(gòu)上為柔性化設(shè)計(jì)使其能夠很好地貼合在各類(lèi)曲面物體上，從而在環(huán)境監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)護(hù)和仿生機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，有不少關(guān)于各類(lèi)柔性傳感器的相關(guān)研究，但大部分傳感器只能實(shí)現(xiàn)一種傳感功能，而電子皮膚的最終目標(biāo)是將不同傳感功能的柔性傳感器集成在一個(gè)非常輕薄的平面陣列中，顯然，只具有單一功能的柔性傳感器距離電子皮膚的實(shí)現(xiàn)還很遠(yuǎn)。
圍繞實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的多功能集成化，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心的羅堅(jiān)義教授團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)性地提出僅利用一根具備自支撐結(jié)構(gòu)的碳纖維束作為“積木單元”，通過(guò)搭建不同的碳纖維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同的傳感功能，并通過(guò)分析傳感器的電學(xué)傳感信號(hào)與物理變化量之間的關(guān)系和規(guī)律，建立了利用物理學(xué)中的量子隧穿效應(yīng)來(lái)感應(yīng)應(yīng)力，以及材料學(xué)中的雜質(zhì)散射機(jī)制來(lái)感應(yīng)溫度的傳感機(jī)理模型從而使不同傳感功能的信號(hào)能夠通過(guò)徑向壓敏電阻和軸向熱敏電阻而得到有效區(qū)分，實(shí)現(xiàn)“僅靠單根碳纖維束對(duì)溫度或應(yīng)力等多種信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)技術(shù)”。（圖1）
▲圖1 一種基于單根碳纖維束的應(yīng)力傳感器和溫度傳感器的機(jī)理模型
為驗(yàn)證模型的可行性，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用SEM原位表征技術(shù)，從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步驗(yàn)證了基于碳纖維束交叉結(jié)的應(yīng)力傳感器的可行性（圖2）。該傳感機(jī)理模型指出，柔性應(yīng)力傳感器的形變壓縮量△x與橫向壓敏電阻R⊥成指數(shù)型衰減關(guān)系，這也表明了碳纖維束的橫向壓敏電阻R⊥對(duì)微小形變量十分地敏感，充分具備作為高靈敏度的應(yīng)力傳感器的應(yīng)用前景。
▲圖2 碳纖維束的徑向壓敏電阻
在溫敏傳感機(jī)理方面，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)雜質(zhì)散射機(jī)制所標(biāo)定碳纖維材料能夠在-150℃至150℃范圍內(nèi)保持良好的線(xiàn)性度，且靈敏度接近于商用的PT100傳感器，證明了碳纖維用于制作柔性溫度傳感器的可行性。（圖3）
▲圖3 碳纖維束及其分布式溫度傳感器的縱向熱阻
為了真正實(shí)現(xiàn)柔性觸覺(jué)傳感器，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將基于碳纖維的應(yīng)力傳感器和溫度傳感器進(jìn)行集成，組裝出能同時(shí)感受應(yīng)力和溫度的觸覺(jué)傳感器（圖4）?；谏鲜鰝鞲袡C(jī)理模型，通過(guò)測(cè)試該柔性觸覺(jué)傳感器的壓力和溫度信號(hào)可得到有效區(qū)分，證明了僅用一種材料來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性觸覺(jué)傳感器的可能，為后續(xù)其他不同功能的傳感器的功能集成提供了可靠的理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)思路。
▲圖4 集成了溫度傳感器和應(yīng)力傳感器的觸覺(jué)傳感器
以上成果近期發(fā)表在先進(jìn)材料系列頂級(jí)期刊Advanced Materials Technologies上，這項(xiàng)研究工作是在五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心、五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院、五邑大學(xué)智能制造部、五邑大學(xué)紡織材料與工程學(xué)院協(xié)作下進(jìn)行的，文章的第一作者是五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院的2020屆研究生黃景誠(chéng)，通訊作者為五邑大學(xué)的溫錦秀副教授和羅堅(jiān)義教授。
文獻(xiàn)及DOI：
Flexible Integrated Sensors: Transverse Piezoresistance and Longitudinal Thermal Resistance of One Single Carbon Fiber Beam.
DOI: 10.1002/admt.201900802
