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传感器（一）——气流传感器

现有气流传感器的传感原理主要基于测量外部气流引发的机械形变，

[81–83] 其特征在于压阻材料的电阻变化[13,14,37] 或压电材料的电压变化。[84,85] 为灵敏检测微弱气流，传感器需放大细微气流变化产生的机械形变响应，从而获得可测量的输出信号。绒毛状结构凭借高长径比特性对微小力具有高度敏感性，能将纤毛接触点的细微位移转化为电阻变化。受蜘蛛毛发启发，科研人员已采用多种制造技术如原位生长、3D打印、电液动力喷墨打印等来开发带毛发结构的气流传感器。其中，静电植绒技术凭借低成本、大规模、操作简便等优势，在该领域展现出独特价值。与传统笨重型传感器相比，通过静电植绒技术制造的传感器不仅重量更轻，还具备显著性能提升。沈等人开发了一种采用319微米长碳纤维二维平面阵列的气流传感器（下图a)。该传感器专精于气流传感，具备超低检测限(0.053米/秒-1）、宽广频率响应范围(0.053–2.66米/秒-1）、多角度响应特性（0°–90°）以及快速响应时间(1.7秒）。

类似地，Luo等人通过将3 mm碳纤维植绒到PVA纤维的一维表面上，制备了基于纤维的气流传感器。[14] 该传感器能根据不同风速产生差异化响应（下图b)，展现出快速响应时间(0.103秒）、检测下限(0.068米/秒-1）和宽检测范围（0.068-16米/秒-1）。除基础气流响应功能外，该传感器还具备声音识别与运动监测能力。此外，通过采用静电纺丝工艺将导电碳纤维涂覆于聚氨酯基材上，成功研发出高灵敏度柔性气流应变双响应传感器。[37]该传感器可同时检测气流和应变信号，对4～16米/秒的气流速度范围-1 表现出157.5%的高灵敏度-1，快速响应时间仅需37毫秒，性能显著优于纯气流传感器及此前报道的气流传感器sensors。[37]

沈氏传感器与罗氏传感器在响应时间和检测范围上的差异，可能源于光纤密度、长度或基底的一维/二维/三维形态等因素。未来，探索采用比碳纤维更柔软、可变形性更强的其他纤维作为植绒层，可能获得更灵敏的形变响应并优化传感器的反应时间。

静电植绒气流传感器的应用领域广泛，包括呼吸监测、声音检测、运动检测以及微力监测等。无论是气流产生的微弱力、说话时声波引起的振动，还是运动中的微小作用力，均会扰动导电植绒纤维，导致其分离或交叉，从而改变传感器电阻值并引发输出信号的数值变化。

参考文献

[13] C. Shen，S. Sun，H. Zhang，Z. Zhang，《先进材料与技术》2022年第8卷

[14]罗杰、吉娜、张伟、葛鹏、刘勇、孙杰、王杰、卓奇、秦晨、戴立，《材料与地平线》2022年第9卷

[37]徐伟、罗杰、张伟、孙涛、孙杰、王军、秦晨、戴立，《材料与电子学杂志：材料电子学》2024年第35卷

[81]王志，王思，曾杰，任翔，蔡亚杰，刘炳耀，钟伟成，杨宇，余安诚，罗伯茨·R. C.，曾安诚，周健伟，陈柏坚，《Small》

期刊，2016年第12卷

[82] D. Ge，Q. Mi，R. Gong，S. Li，C. Qin，Y. Dong，H. Y. Yu，K. C. Tam，Adv. Funct. Mater. 2023

[83]金K. H.、洪S. K.、张N. S.、河S. H.、李H. W.、金J. M.，《ACS应用材料与界面》2017年第9卷

[84]王东、李勇、胡旭、陆立、徐鹏、陈翔、刘晨、王立、刘斌、索立、崔宇、梁杰，《智能材料与结构》2023年第32卷

[85]李克，杜峰，方军，孙立，李敏，王宇，王晨，王翔，李杰，赵卓，颁丹，《化学与工程期刊》2024年第490卷

高压静电植绒的新型应用领域——传感器（一）