清华大学ACS Nano：石墨烯纸基压力传感器

【引言】

柔性力学器件近些年来受到了学术界和产业界的广泛关注。相比传统硬质基底器件，柔性力学器件在不牺牲性能的基础上，大大提升了器件的可变形性，从而使其能够适应更为复杂的应用场景，尤其适合可穿戴应用。石墨烯材料自2004年被发现以来，被广泛应用于柔性力学器件中，这得益于其独特的电学、力学等特性，石墨烯力学器件具有很高的灵敏度。然而，现有石墨烯力学传感器存在制备工艺复杂、重复性与一致性较差、良品率低等缺点与问题。传统的压力传感器不能同时实现高灵敏度和大的工作范围，导致其在可穿戴领域的应用有限。迫切需要开发新型的压力传感器，在灵敏度和工作范围两方面同时取得突破。

【成果简介】

近日，清华大学任天令教授和杨轶副教授（共同通讯）团队在ACS Nano上发表了题为“Graphene-Paper Pressure Sensor for Detecting Human Motions”的研究论文，实现了石墨烯纸压力传感器灵敏度的进一步提升，此项成果对于柔性智能可穿戴传感器的发展具有重大意义。该研究团队提出了一种基于纸张的高性能压力传感器。将薄纸与氧化石墨烯（GO）溶液混合，得到GO纸。此方法不仅可以显着提高电导率，而且操作简单易操作，大大提高了石墨烯材料的生产潜力。将探讨薄纸对压力传感器敏感度影响的层数。测试结果表明，压力范围为0〜20kPa，灵敏度高达17.2kPa^-1，基于薄纸的压力传感器的性能大大提高。此外，基于纸张的压力传感器可以实现手腕脉搏，说话，呼吸和运动状态的测量。与之前研究的压力传感器相比，在足够的工作范围内实现超高灵敏度具有明显的优势，可以更好地满足人体生理活动检测的要求。同时该压力传感器可以应用于脉冲检测，呼吸检测，语音识别以及各种强烈运动检测。该石墨烯纸压力传感器将具有智能穿戴式设备实现健康监测和运动检测的巨大潜力。

【图文导读】

图1石墨烯纸基压力传感器结构示意图

（a）基于石墨烯的压力传感器与纸基板的工艺；

（b）用PI封装的压力传感器照片；

（c）弯曲传感器显示出良好的灵活性。

图2 石墨烯纸的表征

（a）带有rGO的纸巾；

（b）薄纸传感器在低放大倍数下的SEM照片；

（c）高倍率下的薄纸传感器的SEM照片；

（d）薄纸传感器的横截面照片。

图3 石墨烯纸基压力传感器的性能

（a）使用一层，五层和八层薄纸的石墨烯传感器，随着压力的增加而改变电阻；

（b）压力传感器的响应时间；

（c）压力传感器的恢复时间；

（d）石墨烯压力传感器在不同压力下的响应试验；

（e）300次循环的重复性特性试验；

（f）（e）的放大图像。

图4 多层和单层纸基压力传感器的性能模拟

（a）多层和单层纸基压力传感器的型号；

（b）多层模型和单层模型的模拟结果比较。

图5. 压力传感器的应用

（a）手腕脉搏检测的应用；

（b）测试仪的脉冲波形；

（c）呼吸检测申请；

（d）运动前后呼吸的反应曲线；

（e-h）运动监测测试中测试者跳跃，俯卧撑，蹲下，行走和跑步运动的响应曲线。

【小结】

本文提出的石墨烯压力传感器具有出色的灵敏度和较大的工作范围。压力传感器在压力范围为20 kPa，超高灵敏度为17.2 kPa^-1（0-2 kPa）时具有显著的性能。传感器的应用测试表明它可以用于呼吸和手腕脉搏检测，运动监测和语音识别。此外，传感器具有灵活性高，制作工艺简单，生产规模大，成本低等优点。

文献链接： Graphene-Paper Pressure Sensor for Detecting Human Motions (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b02826）

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