压力传感器在人工智能、电子皮肤、工业应用、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越来越大，具有灵敏度高、响应快、工作压力范围宽、功耗低等优势的高性能压力传感器受到广泛关注。特别是在人机交互显示器技术中，将压敏晶体管和有机发光二极管进行集成，能够使压力可视化，是未来显示的新方向。
石墨烯由于具有优异的导电性、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。
石墨烯材料特性
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。传统的金属和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范围以及发展受到影响。因此可以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
使用石墨烯提高压力传感器性能的设计
在设计压力传感器时，应考虑灵敏度、检测范围、线性度、响应时间等性能参数。根据使用的场景不同，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，都在一定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，同时石墨烯本身也可以进行杂化。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。
石墨烯压力传感器的应用
通过采用不同的制造技术，可以获得高灵敏度、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3 静电放电技术沉积还原氧化石墨烯纺织品的结构和机理示意图
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
研究展望
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、响应速度和检测范围，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，要满足不同的应用需求，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。石墨烯压力传感器由导电网络和柔性衬底两部分组成，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，难以保持长期性能稳定。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，石墨烯压力传感器可以通过与电子工程、生物医学工程、材料科学、显示技术等各个快速发展的研究领域合作，为人类的生产生活做出更大贡献。
论文信息：DOI: 10.37188/CJLCD.2023-0099
