石墨烯壓力傳感器在可穿戴電子器件中的研究進(jìn)展綜述

壓力傳感器在人工智能、電子皮膚、工業(yè)應(yīng)用、顯示器中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，隨著對(duì)人體健康監(jiān)測(cè)器件、醫(yī)療診斷工具等方面需求越來(lái)越大，具有靈敏度高、響應(yīng)快、工作壓力范圍寬、功耗低等優(yōu)勢(shì)的高性能壓力傳感器受到廣泛關(guān)注。特別是在人機(jī)交互顯示器技術(shù)中，將壓敏晶體管和有機(jī)發(fā)光二極管進(jìn)行集成，能夠使壓力可視化，是未來(lái)顯示的新方向。

石墨烯由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、柔韌性、導(dǎo)熱性、載流子遷移率和機(jī)械強(qiáng)度，在提高壓力傳感器性能方面受到廣泛關(guān)注。石墨烯材料不僅在工業(yè)壓力傳感器中表現(xiàn)出應(yīng)用潛力，更在可穿戴的柔性壓力傳感器、屏幕技術(shù)中有很好的應(yīng)用前景，是一種理想的二維材料，可以集成到各種可穿戴電子器件中。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，針對(duì)基于石墨烯材料的壓力傳感器的研究進(jìn)展，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)和梧州學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了綜述分析，闡述了石墨烯材料的優(yōu)勢(shì)、制備方法，石墨烯壓力傳感器的設(shè)計(jì)策略及其在可穿戴電子器件中的應(yīng)用前景，并探討了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“石墨烯壓力傳感器在可穿戴電子器件中的研究進(jìn)展”為題發(fā)表在《液晶與顯示》期刊上。

石墨烯材料特性

石墨烯內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)蜂窩狀的晶格排列，由碳原子連接而成，為石墨烯賦予了優(yōu)異的性能，在電化學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域大放異彩。壓力傳感器根據(jù)傳感機(jī)制的不同主要可分為壓阻式、電容式和壓電式等。傳統(tǒng)的金屬和半導(dǎo)體壓力傳感器因?yàn)槭艿絼傂?、脆性、靈敏度低、傳感范圍窄、分辨率低、拉伸能力弱等限制導(dǎo)致應(yīng)用范圍以及發(fā)展受到影響。因此可以借助于柔性材料石墨烯提高壓力傳感器的靈敏度等性能，拓寬壓力傳感器的應(yīng)用范圍。

石墨烯的制造方法主要有“自上而下”和“自下而上”兩種方法?！白陨隙隆狈椒梢?guī)?；⑶页杀据^低，包括微機(jī)械剝離、溶液剝離、碳納米管的解壓縮等方法?！白韵露稀狈椒ㄊ峭ㄟ^(guò)原子組裝的形式來(lái)制備石墨烯，包括化學(xué)氣相沉積（CVD）、外延生長(zhǎng)和還原法。

圖1 （a）單層石墨烯分子結(jié)構(gòu)；（b）碳納米管解壓縮獲得石墨烯示意圖；（c）外延生長(zhǎng)法原理圖；（d）氧化還原法制備石墨烯示意圖

使用石墨烯提高壓力傳感器性能的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)壓力傳感器時(shí)，應(yīng)考慮靈敏度、檢測(cè)范圍、線(xiàn)性度、響應(yīng)時(shí)間等性能參數(shù)。根據(jù)使用的場(chǎng)景不同，對(duì)性能的需求也會(huì)有所變化。

隨著石墨烯在壓力傳感器中的應(yīng)用，壓力傳感器表現(xiàn)出了明顯的變化，無(wú)論是將石墨烯與其它材料結(jié)合應(yīng)用到傳感器中，還是改變石墨烯本身的形狀等措施，都在一定程度上提高了壓力傳感器的性能。首先，石墨烯壓力傳感器在結(jié)合的材料上可以是聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚甲基硅氧烷（PDMS），也可以是纖維，例如紙、棉花，同時(shí)石墨烯本身也可以進(jìn)行雜化。其次在關(guān)鍵材料制備方法上通常為CVD、石墨烯溶液自組裝、超聲混合等。最后在結(jié)構(gòu)上大多是石墨烯材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，例如由PDMS微錐與石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)、PMMA與石墨烯的立體結(jié)構(gòu)、石墨烯和纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)、石墨烯和氧化石墨烯組成的雜化結(jié)構(gòu)等。未來(lái)，隨著石墨烯壓力傳感器進(jìn)一步和聚合物、纖維、石墨烯本身進(jìn)行更多方式的融合，將帶來(lái)更多的變化。

石墨烯壓力傳感器的應(yīng)用

通過(guò)采用不同的制造技術(shù)，可以獲得高靈敏度、超低檢測(cè)限、快速響應(yīng)的石墨烯壓力傳感器，可用于檢測(cè)人體壓力的輕微變化，在醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、血壓測(cè)量等生物領(lǐng)域展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。

圖2 各種研究文章中報(bào)道的柔性壓力傳感器的人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，如手指彎曲、肘關(guān)節(jié)彎曲、膝蓋彎曲、聲帶振動(dòng)、臉頰運(yùn)動(dòng)、吞咽、呼氣或吸氣、行走和跑步

圖3 靜電放電技術(shù)沉積還原氧化石墨烯紡織品的結(jié)構(gòu)和機(jī)理示意圖

圖4 連接在玩具機(jī)器人股骨關(guān)節(jié)上的傳感器，用手觸摸傳感器時(shí)，通過(guò)手機(jī)上的無(wú)線(xiàn)通信監(jiān)測(cè)傳感器響應(yīng)

圖5 GO/Gr復(fù)合薄膜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)：（a）100 Hz加載壓力下輸出電流的響應(yīng)；（b）加載頻率分別為2、8、10 kHz的GO/Gr復(fù)合雙層膜高頻電壓響應(yīng)，該曲線(xiàn)遵循輸入的壓力信號(hào)

研究展望

綜上所述，石墨烯材料具備優(yōu)異的物理性質(zhì)，通過(guò)與其它材料復(fù)合，結(jié)合傳感器襯底和結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計(jì)，使得石墨烯壓力傳感器表現(xiàn)出了優(yōu)異的靈敏度、響應(yīng)速度和檢測(cè)范圍，在人體行為和健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、電子皮膚等方面表現(xiàn)出不俗的潛力。

然而，要滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求，石墨烯壓力傳感器在長(zhǎng)期穩(wěn)定性和機(jī)械適應(yīng)性方面仍需改進(jìn)。石墨烯壓力傳感器由導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和柔性襯底兩部分組成，石墨烯材料及在反復(fù)外力作用下不可逆斷裂形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，會(huì)導(dǎo)致傳感器性能退化，難以保持長(zhǎng)期性能穩(wěn)定。此外，應(yīng)用于人體的壓力傳感器的機(jī)械約束也是一個(gè)待解決的問(wèn)題。展望未來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，石墨烯壓力傳感器可以通過(guò)與電子工程、生物醫(yī)學(xué)工程、材料科學(xué)、顯示技術(shù)等各個(gè)快速發(fā)展的研究領(lǐng)域合作，為人類(lèi)的生產(chǎn)生活做出更大貢獻(xiàn)。

審核編輯：劉清