電子皮膚因其能夠集成多種不同傳感功能來感受來自于外界環境的各種刺激（如：壓力、溫度等），并且在結構上為柔性化設計使其能夠很好地貼合在各類曲面物體上，從而在環境監測、健康監護和仿生機器人等領域具有廣泛的應用前景。近年來，有不少關于各類柔性傳感器的相關研究，但大部分傳感器只能實現一種傳感功能，而電子皮膚的最終目標是將不同傳感功能的柔性傳感器集成在一個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現還很遠。
圍繞實現柔性傳感器的多功能集成化，五邑大學柔性傳感材料與器件研究開發中心的羅堅義教授團隊首創性地提出僅利用一根具備自支撐結構的碳纖維束作為“積木單元”，通過搭建不同的碳纖維結構實現不同的傳感功能，并通過分析傳感器的電學傳感信號與物理變化量之間的關系和規律，建立了利用物理學中的量子隧穿效應來感應應力，以及材料學中的雜質散射機制來感應溫度的傳感機理模型從而使不同傳感功能的信號能夠通過徑向壓敏電阻和軸向熱敏電阻而得到有效區分，實現“僅靠單根碳纖維束對溫度或應力等多種信號的同時檢測技術”。（圖1）
▲圖1 一種基于單根碳纖維束的應力傳感器和溫度傳感器的機理模型
為驗證模型的可行性，研究團隊通過利用SEM原位表征技術，從實驗上進一步驗證了基于碳纖維束交叉結的應力傳感器的可行性（圖2）。該傳感機理模型指出，柔性應力傳感器的形變壓縮量△x與橫向壓敏電阻R⊥成指數型衰減關系，這也表明了碳纖維束的橫向壓敏電阻R⊥對微小形變量十分地敏感，充分具備作為高靈敏度的應力傳感器的應用前景。
▲圖2 碳纖維束的徑向壓敏電阻
在溫敏傳感機理方面，研究團隊通過雜質散射機制所標定碳纖維材料能夠在-150℃至150℃范圍內保持良好的線性度，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
為了真正實現柔性觸覺傳感器，研究團隊通過將基于碳纖維的應力傳感器和溫度傳感器進行集成，組裝出能同時感受應力和溫度的觸覺傳感器（圖4）。基于上述傳感機理模型，通過測試該柔性觸覺傳感器的壓力和溫度信號可得到有效區分，證明了僅用一種材料來實現柔性觸覺傳感器的可能，為后續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和設計思路。
▲圖4 集成了溫度傳感器和應力傳感器的觸覺傳感器
以上成果近期發表在先進材料系列頂級期刊Advanced Materials Technologies上，這項研究工作是在五邑大學柔性傳感材料與器件研究開發中心、五邑大學應用物理與材料學院、五邑大學智能制造部、五邑大學紡織材料與工程學院協作下進行的，文章的第一作者是五邑大學應用物理與材料學院的2020屆研究生黃景誠，通訊作者為五邑大學的溫錦秀副教授和羅堅義教授。
文獻及DOI：
Flexible Integrated Sensors: Transverse Piezoresistance and Longitudinal Thermal Resistance of One Single Carbon Fiber Beam.
DOI: 10.1002/admt.201900802
