Page 18 - 《精细化工》2021年第4期
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·652· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷
2 2D-CPC 基可穿戴压阻式应变传感器的 径被切断，使传感器的电阻增大 [34-36] 。当达到某一
传感机理和性能指标 临界应变时，导电材料间的连接被彻底打断，传感
器的电阻达到无穷大，其工作范围也达到极限。
2.1 传感机理 裂纹通常始于应力集中点和缺陷点。在传感器
压阻效应指压阻式应变传感器在外界压力下其 拉伸过程中，裂纹会在脆性导电材料的应力集中区
电阻发生变化的现象，是传感器的主要工作机理， 域产生和扩展，导致传感器电阻的显著增加 [37] 。在
可用公式（1）来表示： 临界应变范围内，传感器的导电性主要取决于裂纹
ΔR/R 0 =(1+2υ)ɛ+Δρ/ρ （1） 扩展程度，在去除施加的应变后，导电材料产生的
式中：ΔR 为电阻的变化量（Ω）；R 0 为初始电阻（Ω）； 裂纹重新闭合，使传感器电阻基本恢复到初始状
ε 为应变，通常用长度变化量 ΔL 与初始长度 L 0 的比 态 [38-39] 。因此，裂纹的可逆产生/闭合是应变传感器
值来表示；υ 为泊松比；Δρ 为电阻率的变化量 具有高灵敏度和良好重复性的必要条件 [40] 。
（Ω·m）；ρ 为初始电阻率（Ω·m）。 传感器的电导率不仅取决于导电材料间的物理
该公式的第一部分(1+2υ)ɛ 描述了传感器的几 接触，还取决于相邻导电材料间的隧穿或跳跃。当
何变化对电阻率的贡献，第二部分 Δρ/ρ 描述了传感 导电材料被聚合物基体分离的距离足够小时，电子
材料本身电阻率的变化。在外力作用下，传感器的 可通过隧道效应在聚合物中形成完整的导电路径。在
几何形状和导电材料的电阻均会发生变化，导致传 拉伸过程中，隧道距离的增大和导电路径的破坏使
感器的总电阻也随之变化。在施加电压时，传感器 得传感器电阻显著增大；相反，在释放过程中，隧
作为电阻器，可将输入的应变信号转换成电信号输 道距离的减小和导电路径的连通使传感器的电阻减
出，因而具有优异的外力感知能力。对于 2D-CPC 小。SIMMONS [41] 和 CHEN 等 [42] 提出了基于隧道理
基可穿戴压阻式应变传感器来讲，导电材料间的连 论的电阻模型（公式 2~3），用于近似估算传感器的
接/分离是导致传感器电阻减小/增大的主要原因。因 总电阻 R：
此，柔性聚合物基体内导电路径的反复断开/重连是 L 8πhs
R exp( s ) （2）
压阻式应变传感器工作的理论基础，而导电路径的 N 3 22
e
连通性与导电材料间的隧穿效应和物理接触有关， 4π 2m
目前已经建立了多种机制来解释可穿戴压阻式应变 （3）
h
传感器的传感行为，例如重叠导电材料的断开、大 式中：N 和 L 分别为导电路径的数量和形成单一导
应变下的裂纹扩展及导电材料的隧道效应等，如图 电路径所需导电材料的数量； h 为普朗克常数
4 所示。 （h=6.62607015×10 –34 J·s）；s 为导电材料之间的最
2
小距离（0.1 nm）； 和 e 分别表示有效横截面积
2
（cm ）和电子电荷（C）；m 和 φ 分别为电子质量
（kg）和相邻导电材料间的势垒高度（eV）；γ 只是
作为指代公式（3）的字母，没有实际意义及单位。
尽管存在 3 种不同的传感机制，但 2D-CPC 基
可穿戴压阻式应变传感器的应变响应行为通常由多
种机制共同主导。例如，YANG 等 [43] 报道了基于
GE/PDMS 复合材料的应变传感器，其传感机制可分
为 3 个区域：当应变为 5%时，复合材料电阻的增加
主要是由于重叠的 GE 纳米片发生滑移和分离；当
图 4 2D-CPC 基可穿戴压阻式应变传感器的传感机理 应变为 5%~15%时，电阻的变化主要由 GE 片层的
Fig. 4 Sensing mechanism of 2D-CPC based wearable
piezoresistive strain sensors 断开及刚性 GE 中裂纹的产生和扩展共同决定；随
着应变进一步增大，电阻的变化仅由裂纹的产生和
断开机制是传感器常用的一种传感机制。分散 扩展决定。此外，多种导电机制的存在也导致可拉
在绝缘聚合物基体中的导电材料相互连接形成渗流 伸应变传感器的电阻随应变的非线性变化。
网络，电子通过渗流网络产生与应变相关的信号。 综上所述，2D-CPC 基可穿戴压阻式应变传感
与弹性聚合物基体相比，由于导电材料具有更小的 器的传感过程是较为复杂的，其在很大程度上取决
断裂伸长率和更高的杨氏模量，当传感器受到应变 于传感器的类型及导电网络的结构。对于内部填充
作用时，重叠的导电材料发生滑移和分离，导电路 型应变传感器，隧道效应和断开机制通常是并存的，
