中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
壓力傳感器在人工智能、電子皮膚、工業(yè)應用、顯示器中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，隨著(zhù)對人體健康監測器件、醫療診斷工具等方面需求越來(lái)越大，具有靈敏度高、響應快、工作壓力范圍寬、功耗低等優(yōu)勢的高性能壓力傳感器受到廣泛關(guān)注。特別是在人機交互顯示器技術(shù)中，將壓敏晶體管和有機發(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)異的導電性、柔韌性、導熱性、載流子遷移率和機械強度，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)壓力傳感器中表現出應用潛力，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。
針對基于石墨烯材料的壓力傳感器的研究進(jìn)展，長(cháng)春工業(yè)大學(xué)和梧州學(xué)院的研究團隊進(jìn)行了綜述分析，闡述了石墨烯材料的優(yōu)勢、制備方法，石墨烯壓力傳感器的設計策略及其在可穿戴電子器件中的應用前景，并探討了當前面臨的挑戰和機遇。相關(guān)研究?jì)热菀浴笆毫鞲衅髟诳纱┐麟娮悠骷械难芯窟M(jìn)展”為題發(fā)表在《液晶與顯示》期刊上。
石墨烯材料特性
石墨烯內部結構呈現蜂窩狀的晶格排列，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。壓力傳感器根據傳感機制的不同主要可分為壓阻式、電容式和壓電式等。傳統的金屬和半導體壓力傳感器因為受到剛性、脆性、靈敏度低、傳感范圍窄、分辨率低、拉伸能力弱等限制導致應用范圍以及發(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?！白陨隙隆狈椒梢幠；?，并且成本較低，包括微機械剝離、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(cháng)和還原法。
圖1 （a）單層石墨烯分子結構；（b）碳納米管解壓縮獲得石墨烯示意圖；（c）外延生長(cháng)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計
在設計壓力傳感器時(shí)，應考慮靈敏度、檢測范圍、線(xiàn)性度、響應時(shí)間等性能參數。根據使用的場(chǎng)景不同，對性能的需求也會(huì )有所變化。
隨著(zhù)石墨烯在壓力傳感器中的應用，壓力傳感器表現出了明顯的變化，無(wú)論是將石墨烯與其它材料結合應用到傳感器中，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。最后在結構上大多是石墨烯材料的復合結構，例如由PDMS微錐與石墨烯的復合結構、PMMA與石墨烯的立體結構、石墨烯和纖維的復合結構、石墨烯和氧化石墨烯組成的雜化結構等。未來(lái)，隨著(zhù)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、超低檢測限、快速響應的石墨烯壓力傳感器，可用于檢測人體壓力的輕微變化，在醫療保健監測、人體運動(dòng)監測、血壓測量等生物領(lǐng)域展現出很好的應用前景。
圖2 各種研究文章中報道的柔性壓力傳感器的人體運動(dòng)監測應用，如手指彎曲、肘關(guān)節彎曲、膝蓋彎曲、聲帶振動(dòng)、臉頰運動(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構和機理示意圖
圖4 連接在玩具機器人股骨關(guān)節上的傳感器，用手觸摸傳感器時(shí)，通過(guò)手機上的無(wú)線(xiàn)通信監測傳感器響應
圖5 GO/Gr復合薄膜的動(dòng)態(tài)響應：（a）100 Hz加載壓力下輸出電流的響應；（b）加載頻率分別為2、8、10 kHz的GO/Gr復合雙層膜高頻電壓響應，該曲線(xiàn)遵循輸入的壓力信號
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)與其它材料復合，結合傳感器襯底和結構等方面的設計，使得石墨烯壓力傳感器表現出了優(yōu)異的靈敏度、響應速度和檢測范圍，在人體行為和健康監測、人機交互、電子皮膚等方面表現出不俗的潛力。
然而，要滿(mǎn)足不同的應用需求，石墨烯壓力傳感器在長(cháng)期穩定性和機械適應性方面仍需改進(jìn)。石墨烯壓力傳感器由導電網(wǎng)絡(luò )和柔性襯底兩部分組成，石墨烯材料及在反復外力作用下不可逆斷裂形成的導電網(wǎng)絡(luò )，會(huì )導致傳感器性能退化，難以保持長(cháng)期性能穩定。此外，應用于人體的壓力傳感器的機械約束也是一個(gè)待解決的問(wèn)題。展望未來(lái)，隨著(zhù)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。
