电子皮肤因其能够集成多种不同传感功能来感受来自于外界环境的各种刺激（如：压力、温度等），并且在结构上为柔性化设计使其能够很好地贴合在各类曲面物体上，从而在环境监测、健康监护和仿生机器人等领域具有广泛的应用前景。近年来，有不少关于各类柔性传感器的相关研究，但大部分传感器只能实现一种传感功能，而电子皮肤的最终目标是将不同传感功能的柔性传感器集成在一个非常轻薄的平面阵列中，显然，只具有单一功能的柔性传感器距离电子皮肤的实现还很远。

围绕实现柔性传感器的多功能集成化，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心的罗坚义教授团队首创性地提出仅利用一根具备自支撑结构的碳纤维束作为“积木单元”，通过搭建不同的碳纤维结构实现不同的传感功能，并通过分析传感器的电学传感信号与物理变化量之间的关系和规律，建立了利用物理学中的量子隧穿效应来感应应力，以及材料学中的杂质散射机制来感应温度的传感机理模型从而使不同传感功能的信号能够通过径向压敏电阻和轴向热敏电阻而得到有效区分，实现“仅靠单根碳纤维束对温度或应力等多种信号的同时检测技术”。（图1）

▲图1 一种基于单根碳纤维束的应力传感器和温度传感器的机理模型

为验证模型的可行性，研究团队通过利用SEM原位表征技术，从实验上进一步验证了基于碳纤维束交叉结的应力传感器的可行性（图2）。该传感机理模型指出，柔性应力传感器的形变压缩量△x与横向压敏电阻R_⊥成指数型衰减关系，这也表明了碳纤维束的横向压敏电阻R_⊥对微小形变量十分地敏感，充分具备作为高灵敏度的应力传感器的应用前景。

▲图2 碳纤维束的径向压敏电阻

在温敏传感机理方面，研究团队通过杂质散射机制所标定碳纤维材料能够在-150℃至150℃范围内保持良好的线性度，且灵敏度接近于商用的PT100传感器，证明了碳纤维用于制作柔性温度传感器的可行性。（图3）

▲图3 碳纤维束及其分布式温度传感器的纵向热阻

为了真正实现柔性触觉传感器，研究团队通过将基于碳纤维的应力传感器和温度传感器进行集成，组装出能同时感受应力和温度的触觉传感器（图4）。基于上述传感机理模型，通过测试该柔性触觉传感器的压力和温度信号可得到有效区分，证明了仅用一种材料来实现柔性触觉传感器的可能，为后续其他不同功能的传感器的功能集成提供了可靠的理论指导和设计思路。

▲图4 集成了温度传感器和应力传感器的触觉传感器

以上成果近期发表在先进材料系列顶级期刊Advanced Materials Technologies上，这项研究工作是在五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心、五邑大学应用物理与材料学院、五邑大学智能制造部、五邑大学纺织材料与工程学院协作下进行的，文章的第一作者是五邑大学应用物理与材料学院的2020届研究生黄景诚，通讯作者为五邑大学的温锦秀副教授和罗坚义教授。

文献及DOI：

Flexible Integrated Sensors: Transverse Piezoresistance and Longitudinal Thermal Resistance of One Single Carbon Fiber Beam.

DOI: 10.1002/admt.201900802