基于石墨烯的6種傳感器介紹

基于石墨烯的氣體分子檢測(cè)傳感器的工作原理是測(cè)量材料導(dǎo)電率的變化?；谑┑臍怏w傳感器的工作原理是在石墨烯表面吸附氣體分子，作為電子的供體或受體。

氣體傳感器

基于石墨烯的氣體分子檢測(cè)傳感器的工作原理是測(cè)量材料導(dǎo)電率的變化?；谑┑臍怏w傳感器的工作原理是在石墨烯表面吸附氣體分子，作為電子的供體或受體。

研究表明，用石墨烯可以測(cè)量傳導(dǎo)的量子尺度變化。考慮到這一點(diǎn)，將這些傳感器推向最佳水平以檢測(cè)單個(gè)氣體分子的可能性似乎是可信的。這種最終的靈敏度可能與幾個(gè)因素有關(guān)，包括測(cè)量時(shí)的溫度和目標(biāo)氣體的流速。

在這一應(yīng)用中，石墨烯擁有作為一種極低噪聲材料的優(yōu)勢(shì)。正因?yàn)槿绱?，即使在沒(méi)有載流子和多出幾個(gè)電子的極限情況下，石墨烯的載流子濃度也能夠發(fā)生很大的變化。除了這個(gè)優(yōu)點(diǎn)之外，石墨烯在這個(gè)應(yīng)用中還可以在單晶上創(chuàng)建四探針器件。這保證了任何接觸電阻對(duì)限制靈敏度的影響都被消除了。

電化學(xué)傳感器

也有研究表明，石墨烯是電解質(zhì)柵極配置中有效的化學(xué)傳感器?；谑┑捻敄沤^緣體可以在電解質(zhì)中制造薄至1至5納米，濃度為幾毫摩爾。即使是最好的、采用原子層沉積(ALD)的頂柵石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)也無(wú)法與這些水平相匹配。

在電化學(xué)DNA傳感器、葡萄糖傳感器等氧化酶生物傳感器的電極材料，以及環(huán)境分析，特別是重金屬離子檢測(cè)方面，基于石墨烯的電化學(xué)傳感器已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。研究表明，石墨烯在酶的直接電化學(xué)、小生物分子的電化學(xué)檢測(cè)和電分析三個(gè)方面都優(yōu)于碳納米管。盡管取得了這一成功，但目前還不能批量生產(chǎn)這些應(yīng)用所需的石墨烯，盡管這種情況正在迅速改變。

光電傳感器

光電傳感器的市場(chǎng)與透明導(dǎo)體中的銦錫氧化物（ITO）替代物基本相同。石墨烯的高導(dǎo)電性和近乎透明的特性使其成為光電電池和光電傳感器中透明電極的一個(gè)吸引人的選擇。

三星已經(jīng)制造出了一款使用石墨烯替代ITO的觸摸屏顯示器產(chǎn)品，不過(guò)目前還不清楚這究竟是一個(gè)商業(yè)企業(yè)，還是僅僅展示了基于石墨烯的觸摸屏顯示器是未來(lái)的一種可能性。不管是哪種情況，石墨烯相對(duì)于ITO的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它與柔性屏幕的兼容性更強(qiáng)。

基于石墨烯的光電探測(cè)器的工作原理是測(cè)量光子通量。它通過(guò)將吸收的光子能量轉(zhuǎn)換為電流來(lái)測(cè)量。與基于IV族和III-V族半導(dǎo)體的傳統(tǒng)探測(cè)器相比，石墨烯基光電探測(cè)器具有更寬的工作波長(zhǎng)范圍。此外，石墨烯擁有比其他材料更優(yōu)越的載流子遷移率，這意味著它的響應(yīng)時(shí)間比其他光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間快得多，這應(yīng)該會(huì)轉(zhuǎn)化為超快的光學(xué)傳感器。

磁場(chǎng)傳感器

最初，石墨烯似乎并不是磁場(chǎng)傳感器應(yīng)用的合適選擇。典型的InAs傳感器的室溫霍爾系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于基于石墨烯的傳感器，但是，當(dāng)我們清楚石墨烯的厚度只有0.34納米，而InAs的厚度為12納米時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，與InAs相比，石墨烯確實(shí)具有吸引人的霍爾效應(yīng)電阻。此外，與典型的二維電子氣體器件不同，石墨烯不必隱藏在額外的層下，這確實(shí)使其在霍爾效應(yīng)傳感方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

雖然最近的一些研究在一定程度上克服了這個(gè)問(wèn)題，但基于石墨烯的磁場(chǎng)傳感器在室溫下電子的熱激發(fā)比石墨烯的這種磁阻效應(yīng)更占優(yōu)勢(shì)。

機(jī)械式傳感器

機(jī)械傳感器可以檢測(cè)物理特性的變化，例如，通過(guò)感知影響材料的物理變形來(lái)檢測(cè)材料何時(shí)受到了壓力。機(jī)械傳感器還能夠檢測(cè)諧振頻率的變化，以及測(cè)量質(zhì)量、力、壓力、應(yīng)變、速度、加速度和重量。

研究人員此前已經(jīng)表明，石墨烯可以成功地用作應(yīng)變和壓力傳感器。在基于石墨烯的應(yīng)變和壓力傳感器中，利用石墨烯作為一種活性材料來(lái)感知物理信號(hào)，包括應(yīng)變和壓力。由于石墨烯材料具有較高的導(dǎo)電性，因此常被用作石墨烯基應(yīng)變和壓力傳感器的導(dǎo)電層或電極。

傳統(tǒng)的石墨烯基應(yīng)變和壓力傳感器的傳導(dǎo)方式包括電阻式、電容式和壓電式。電阻式傳感器將外力轉(zhuǎn)化為電阻的變化，通過(guò)電信號(hào)的改變，可以直接被預(yù)埋的檢測(cè)電路檢測(cè)到。它通過(guò)電阻的變化獲得電阻傳感信號(hào)，電阻效應(yīng)是石墨烯的特性。

由于石墨烯的高導(dǎo)電性和良好的機(jī)械性能，石墨烯基電阻傳感器獲得了超高的靈敏度。作為一種常見(jiàn)的應(yīng)變和壓力傳感器，石墨烯基電阻傳感器的優(yōu)點(diǎn)很多，包括：

• 檢測(cè)范圍廣
• 簡(jiǎn)單的設(shè)備建設(shè)
• 信號(hào)測(cè)試

電容式傳感器可以通過(guò)將機(jī)械刺激信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)來(lái)檢測(cè)不同形式的力。位移的變化會(huì)導(dǎo)致電容的變化，由于石墨烯具有高水平的導(dǎo)電性、吸引人的機(jī)械性能和大的比表面積，因此它是電容式傳感器中電導(dǎo)體和電極的絕佳選擇。

高靈敏度和快速響應(yīng)的壓電材料被廣泛應(yīng)用于壓力傳感器中，將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。壓電材料在機(jī)械變形時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電荷，而電荷的作用也是相反的，所以當(dāng)外部電場(chǎng)施加到壓電材料上時(shí)，壓電材料會(huì)發(fā)生機(jī)械變形。對(duì)此的研究表明，石墨烯可以被工程化，使其具有壓電特性。

研究還表明，單層石墨烯可以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓電效應(yīng)，雙層和多層石墨烯可以實(shí)現(xiàn)正壓電傳導(dǎo)效應(yīng)?；谑┑膲弘妭鞲衅饔捎诰哂谐斓捻憫?yīng)時(shí)間和超高的靈敏度，已被用于檢測(cè)連續(xù)靜壓信號(hào)和垂直振動(dòng)。

柔性傳感器

石墨烯基材料在柔性和可拉伸的應(yīng)變和壓力傳感器、光電探測(cè)器、霍爾傳感器、電化學(xué)傳感器和生物傳感器方面已經(jīng)顯示出潛力。

由于石墨烯固有的柔韌性，當(dāng)對(duì)其施加機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電性能不會(huì)降低。因此，石墨烯一直被認(rèn)為是制造高伸縮性和柔性傳感器和其他電子器件的理想材料。

對(duì)這一領(lǐng)域的進(jìn)一步調(diào)查研究表明，柔性應(yīng)變傳感器可以由壓阻石墨烯、微流體液態(tài)金屬和可拉伸151彈性體制成。為了實(shí)現(xiàn)石墨烯傳感元件的柔性電接觸，將液態(tài)金屬放入微流體通道中作為互連材料。

柔性應(yīng)變傳感器在可穿戴電子產(chǎn)品中可能會(huì)有應(yīng)用，特別是在運(yùn)動(dòng)和鍛煉過(guò)程中的監(jiān)測(cè)目的。目前已有研究人員利用一種具有壓縮特性的石墨烯基復(fù)合纖維開(kāi)發(fā)出了這種類型的柔性應(yīng)變傳感器，并將其集成到可穿戴式應(yīng)變傳感器中。該傳感器結(jié)構(gòu)由以聚氨酯為核心纖維、聚酯纖維為高彈性紗線組成的。
編輯：hfy