清華大學ACS Nano：石墨烯紙基壓力傳感器

【引言】

柔性力學器件近些年來受到了學術界和產業界的廣泛關注。相比傳統硬質基底器件，柔性力學器件在不犧牲性能的基礎上，大大提升了器件的可變形性，從而使其能夠適應更為復雜的應用場景，尤其適合可穿戴應用。石墨烯材料自2004年被發現以來，被廣泛應用于柔性力學器件中，這得益于其獨特的電學、力學等特性，石墨烯力學器件具有很高的靈敏度。然而，現有石墨烯力學傳感器存在制備工藝復雜、重復性與一致性較差、良品率低等缺點與問題。傳統的壓力傳感器不能同時實現高靈敏度和大的工作范圍，導致其在可穿戴領域的應用有限。迫切需要開發新型的壓力傳感器，在靈敏度和工作范圍兩方面同時取得突破。

【成果簡介】

近日，清華大學任天令教授和楊軼副教授（共同通訊）團隊在ACS Nano上發表了題為“Graphene-Paper Pressure Sensor for Detecting Human Motions”的研究論文，實現了石墨烯紙壓力傳感器靈敏度的進一步提升，此項成果對于柔性智能可穿戴傳感器的發展具有重大意義。該研究團隊提出了一種基于紙張的高性能壓力傳感器。將薄紙與氧化石墨烯（GO）溶液混合，得到GO紙。此方法不僅可以顯著提高電導率，而且操作簡單易操作，大大提高了石墨烯材料的生產潛力。將探討薄紙對壓力傳感器敏感度影響的層數。測試結果表明，壓力范圍為0?20kPa，靈敏度高達17.2kPa^-1，基于薄紙的壓力傳感器的性能大大提高。此外，基于紙張的壓力傳感器可以實現手腕脈搏，說話，呼吸和運動狀態的測量。與之前研究的壓力傳感器相比，在足夠的工作范圍內實現超高靈敏度具有明顯的優勢，可以更好地滿足人體生理活動檢測的要求。同時該壓力傳感器可以應用于脈沖檢測，呼吸檢測，語音識別以及各種強烈運動檢測。該石墨烯紙壓力傳感器將具有智能穿戴式設備實現健康監測和運動檢測的巨大潛力。

【圖文導讀】

圖1石墨烯紙基壓力傳感器結構示意圖

（a）基于石墨烯的壓力傳感器與紙基板的工藝；

（b）用PI封裝的壓力傳感器照片；

（c）彎曲傳感器顯示出良好的靈活性。

圖2 石墨烯紙的表征

（a）帶有rGO的紙巾；

（b）薄紙傳感器在低放大倍數下的SEM照片；

（c）高倍率下的薄紙傳感器的SEM照片；

（d）薄紙傳感器的橫截面照片。

圖3 石墨烯紙基壓力傳感器的性能

（a）使用一層，五層和八層薄紙的石墨烯傳感器，隨著壓力的增加而改變電阻；

（b）壓力傳感器的響應時間；

（c）壓力傳感器的恢復時間；

（d）石墨烯壓力傳感器在不同壓力下的響應試驗；

（e）300次循環的重復性特性試驗；

（f）（e）的放大圖像。

圖4 多層和單層紙基壓力傳感器的性能模擬

（a）多層和單層紙基壓力傳感器的型號；

（b）多層模型和單層模型的模擬結果比較。

圖5. 壓力傳感器的應用

（a）手腕脈搏檢測的應用；

（b）測試儀的脈沖波形；

（c）呼吸檢測申請；

（d）運動前后呼吸的反應曲線；

（e-h）運動監測測試中測試者跳躍，俯臥撐，蹲下，行走和跑步運動的響應曲線。

【小結】

本文提出的石墨烯壓力傳感器具有出色的靈敏度和較大的工作范圍。壓力傳感器在壓力范圍為20 kPa，超高靈敏度為17.2 kPa^-1（0-2 kPa）時具有顯著的性能。傳感器的應用測試表明它可以用于呼吸和手腕脈搏檢測，運動監測和語音識別。此外，傳感器具有靈活性高，制作工藝簡單，生產規模大，成本低等優點。

文獻鏈接： Graphene-Paper Pressure Sensor for Detecting Human Motions (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b02826）

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