石墨烯应变传感器的工作原理

石墨烯应变传感器（或应变片）是在微尺度上进行机电应变测量的先驱，能够以极高的测量系数检测到无限小的应变值。这些前所未有的性能水平可用于量化一系列应变类型，包括：弯曲、压缩和拉伸应变以及扭转。

由于基于石墨烯的传感器材料相对不成熟，石墨烯应变计主要处于探索和早期开发阶段。从最初的概念验证以及石墨烯生产和供应链的全面改进中获得的极具前景的结果，加快了众多石墨烯传感器的上市速度。其中包括多种利用石墨烯作为有源传感元件或功能基底的应变计类型。

在本文中，Grolltex 简要介绍了石墨烯应变传感器的工作原理。

石墨烯应变传感器如何工作？

应变传感器普遍用于计算各种机械量。它们通过测量物体在外力作用下的应变来实现这一目的。在机械领域，应变被定义为施加外力时材料内部发生的变形/位移程度。这与应力密切相关，而应力则是指同一材料对外力的内部阻力。

石墨烯因其优异的弹性模量（又称杨氏模量）而在应力-应变方面独树一帜。它被描述为在材料弹性范围内拉伸应力与应变的一致比率。换句话说，它定义了通过弯曲、压缩、拉伸等方式对材料施加应力所需的外力水平。

应变传感器所需的弹性和内在强度取决于应用。由于石墨烯材料的标称杨氏模量为 1 TPa，因此石墨烯应变传感器能够以出色的灵敏度测量极高的应变率。石墨烯可承受 20% 以上的可逆拉伸应变。因此，石墨烯是下一代高应变率应用的主要基底材料。 此外，石墨烯还能在许多方案中吸收极小量的应变。

例如，将测量网格集成到石墨烯基底中，使用电阻率与尺寸之间具有明显线性关系的传感器，就能实现这些功能。当基底受到外力作用时，网格会发生变形，从而引起电阻率的相对变化。这样就能直接测量机械量，并将其转换为精确的电子输出。 使用石墨烯配置应变传感器的另一种模式是作为压阻传感器，当石墨烯表面通电时，在不同程度的应变作用下，电阻率会发生变化。

更多信息：石墨烯传感器指南

测量应力-应变值对极其广泛的应用至关重要，例如从实验研究与开发（R&D）到常规测试台程序，再到监测血压的可穿戴设备领域。因此，应变传感器（或压力计）是地球上最普遍的传感元件之一。

新兴的石墨烯应变传感器已开始利用材料的灵活性和固有电子特性，在专有应用中进行超高灵敏度应变测量。研究人员利用软基底上的全石墨烯传感器，成功生成了一种独特的应变计，其拉伸幅度可达 20%，测量系数为 42.2。这使得应变读数低至 0.1%，相对电阻变化约为 0.005。

要证实尖端石墨烯传感器在现实世界中的功能，还需要进一步的研究。

来自 Grolltex 的石墨烯传感器材料

Grolltex 专注于高纯度二维材料的化学气相沉积 (CVD)，包括石墨烯和六方氮化硼 (hBN)。我们利用丰富的专业知识为传感器市场带来益处，并在石墨烯传感器的独特应用领域取得了长足进步。

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参考资料

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0008622317301872