石墨烯压力传感器在可穿戴电子器件中的研究进展综述
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产品简介:
应用、显示器中发挥着至关重要的作用。近年来,随着对人体健康监测器件、医疗诊断工具等方面需求慢慢的变大,具有灵敏度较高、响应快、工作所承受的压力范围宽、功耗低等优势的高性能压力
石墨烯由于具备优秀能力的导电性、柔韧性、导热性、载流子迁移率和机械强度,在提高压力传感器性能方面受到广泛关注。石墨烯材料不仅在工业压力传感器中表现出应用潜力,更在可穿戴的柔性压力传感器、屏幕技术中有很好的应用前景,是一种理想的二维材料,可以集成到各种可穿戴电子器件中。
据麦姆斯咨询报道,针对基于石墨烯材料的压力传感器的研究进展,长春工业大学和梧州学院的研究团队进行了综述分析,阐述了石墨烯材料的优势、制备方法,石墨烯压力传感器的设计策略及其在可穿戴电子器件中的应用前景,并探讨了当前面临的挑战和机遇。相关研究内容以“石墨烯压力传感器在可穿戴电子器件中的研究进展”为题发表在《液晶与显示》期刊上。
石墨烯内部结构呈现蜂窝状的晶格排列,由碳原子连接而成,为石墨烯赋予了优异的性能,在电化学、物理学等领域大放异彩。压力传感器根据传感机制的不同主要可分为压阻式、电容式和压电式等。传统的金属与半导体压力传感器因为受到刚性、脆性、灵敏度低、传感范围窄、分辨率低、拉伸能力弱等限制导致应用场景范围以及发展受一定的影响。因此能借助于柔性材料石墨烯提高压力传感器的灵敏度等性能,拓宽压力传感器的应用范围。
石墨烯的制造方法主要有“自上而下”和“自下而上”两种方法。“自上而下”方法可规模化,并且成本较低,包括微机械剥离、溶液剥离、碳纳米管的解压缩等方法。“自下而上”方法是通过原子组装的形式来制备石墨烯,包括化学气相沉积(CVD)、外延生长和还原法。
图1 (a)单层石墨烯分子结构;(b)碳纳米管解压缩获得石墨烯示意图;(c)外延生长法原理图;(d)氧化还原法制备石墨烯示意图
在设计压力传感器时,应考虑灵敏度、检验测试范围、线性度、响应时间等性能参数。依据使用的场景不同,对性能的需求也会有所变化。
随着石墨烯在压力传感器中的应用,压力传感器表现出了明显的变化,无论是将石墨烯与其它材料结合应用到传感器中,还是改变石墨烯本身的形状等措施,都在某些特定的程度上提高了压力传感器的性能。首先,石墨烯压力传感器在结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),也可以是纤维,例如纸、棉花,同时石墨烯本身也能够直接进行杂化。其次在关键材料制备方法上通常为CVD、石墨烯溶液自组装、超声混合等。最后在结构上大多是石墨烯材料的复合结构,例如由PDMS微锥与石墨烯的复合结构、PMMA与石墨烯的立体结构、石墨烯和纤维的复合结构、石墨烯和氧化石墨烯组成的杂化结构等。未来,随着石墨烯压力传感器进一步和聚合物、纤维、石墨烯本身进行更多方式的融合,将带来更多的变化。
通过采用不一样的制造技术,能够得到高灵敏度、超低检测限、快速响应的石墨烯压力传感器,可用于检测人体压力的轻微变化,在医疗保健监测、人体运动监测、血压测量等生物领域展现出很好的应用前景。
图2 各种研究文章中报道的柔性压力传感器的人体运动监测应用,如手指弯曲、肘关节弯曲、膝盖弯曲、声带振动、脸颊运动、吞咽、呼气或吸气、行走和跑步
图4 连接在玩具机器人股骨关节上的传感器,用手触摸传感器时,通过手机上的无线通信监测传感器响应
图5 GO/Gr复合薄膜的动态响应:(a)100 Hz加载压力下输出电流的响应;(b)加载频率分别为2、8、10 kHz的GO/Gr复合双层膜高频电压响应,该曲线遵循输入的压力信号
综上所述,石墨烯材料具备优异的物理性质,通过与其它材料复合,结合传感器衬底和结构等方面的设计,使得石墨烯压力传感器表现出了优异的灵敏度、响应速度和检验测试范围,在人体行为和健康监测、人机交互、电子皮肤等方面表现出不俗的潜力。
然而,要满足多种的应用需求,石墨烯压力传感器在长期稳定性和机械适应性方面仍需改进。石墨烯压力传感器是由导电网络和柔性衬底两部分所组成,石墨烯材料及在反复外力作用下不可逆断裂形成的导电网络,会导致传感器性能退化,难以保持长期稳定性很高。此外,应用于人体的压力传感器的机械约束也是一个待解决的问题。展望未来,随着科学技术的发展,石墨烯压力传感器能通过与电子工程、生物医学工程、材料科学、显示技术等各个加快速度进行发展的研究领域合作,为人类的生产生活做出更大贡献。
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