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新型传感材料在力传感器的应用和发展前景

时间:2021-09-09 点击次数:

新的称重传感技术融合了新材料、微机电、微纳米等前沿学科,是精确农业、智能物流、智能零售等物联网应用的关键技术。新一代称重传感器的发展趋势和主要研究方向是智能化、小型化、平面化、低成本、高灵敏度和高可靠性。碳素材料具有优异的力学和电学特性,在称重测力传感装置中具有很大的应用前景。近年来,碳基传感材料和传感器的研究方兴未艾,为重测力传感技术的深入开发和应用带来了新的机遇。

近年来,随着物联网的快速发展,称重传感器的应用范围不断扩大。工业模式的不断创新给称重传感器技术的发展带来了许多新的挑战。目前,称重传感器的技术局限主要集中在提高传感器的稳定性、抗干扰性、耐腐蚀性、小型化和平面化。在过去的20年里,基于金属箔应变片的称重传感器在许多行业得到了广泛的应用,并取得了显著的进展。然而,由于金属应变片本身的特性(灵敏度低、过载能力低、易腐蚀)决定了其不能满足日益严格的工业需求。

随着材料的进步,人们可以设计和使用各种功能材料来制造性能优异的传感器。碳素材料在许多新材料中具有优异的高温稳定性、耐腐蚀性和抗干扰性,因此碳基传感材料越来越受到人们的重视。特别是近30年来,科研界流行的石墨烯和碳纳米管材料,由于其优异的机械、电和热性能,近30年来出现了各种传感技术,有效解决了传统传感材料中的诸多问题。主要介绍几种常用的碳基传感材料,介绍了一些新型传感材料在力传感器方面的主要研究进展,希望能为新型称重传感技术的应用和发展前景提供参考。

石墨制品具有良好的耐高温、电、化学和可塑性、耐热震等特殊性能,是工业生产中不可缺少的高性能廉价材料。石墨、炭黑等碳基材料广泛应用于柔性测力传感器中。将炭黑、石墨等低电阻碳系微纳米材料填充到绝缘聚合物基体中,可形成半导体或半导体材料。以二甲基硅油为稀释剂和增塑剂,将导电炭黑纳米粒子注入有机硅弹性体复合材料中,制备潜在的应变传感器。本文以改性石墨/PU复合膜为基础,制备了成本低、灵敏度高、重现性好、工艺简单的柔性测力传感器。

碳纤维复合材料因其强度高、重量轻、耐腐蚀、抗疲劳等优点,在工程承载中得到了广泛的应用。研究和实验表明,CFRP也具有良好的电阻应变效应,是一种新型传感材料。

传感器性能的评价指标主要包括:非线性、迟滞、重复性、蠕变、零点温度特性、灵敏度、温度特性等。此外,在物联网的许多应用中,还需要考虑灵敏度高、测量范围广、响应时间快的感应材料。因此,为了开发一种具有实用价值的新型称重力传感装置。

基于碳的传感器主要有压阻、电容、压电、谐振、光纤等。根据敏感材料电阻率的变化,压阻式测力传感器将力学量转换成电信号。压阻传感技术因其工艺简单、成本低而得到广泛应用。容式测力传感器可视为两个平行电极之间以空气为介质的变参量电容器。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,能检测出能量低的微小静态力。在此基础上,开发了碳基传感器,并在此基础上开发了碳基传感器元件。

实验结果表明,碳基传感材料灵敏度高,在动态测量和小力值测量方面具有明显优势。目前主要问题是碳基传感器或其原材料的制备大多涉及蒸镀、光刻等微纳加工方法。目前成本高,工艺复杂,不利于称重测力传感器的应用和推广。目前,碳基称重力传感器性能的影响因素仍然缺乏系统地研究,尤其是如何构建高灵敏度、稳定性、高精度的称重传感器元件。因此,系统研究影响测力传感器性能的因素,对低成本、适合大规模生产的制备和包装方法具有重要的科学和实用价值。

当前,新一轮的技术革命和产业转型蓄势待发,学科交叉、融合、渗透,新一轮的传感设备必将进入一个重要的发展时期。碳基传感材料具有一系列适用于测力传感器应用的优异性能,国内外研究人员对其进行了大量研究,取得了良好的进展。虽然高性能碳基传感材料和器件的研发仍然面临许多挑战,但我们相信未来将有更多的新材料用于称重传感器技术,以促进称重传感器技术的发展。

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