一種還原氧化石墨烯柔性傳感器

張銘瑞 牟春宇 趙劍南 鐘雨眩 杭子軒

摘?要：石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的，只有一層原子厚度的二維晶體，具有光學性能、高熱導性能、力學性能和室溫鐵磁效應等性能。石墨烯材料的發展使得傳感器的發展如虎添翼。很多優質傳感器的誕生也使生活和生產變得更加智能。本文基于石墨烯材料論述了石墨烯柔性傳感器和壓力傳感器的研究進展。

關鍵詞：石墨烯;傳感器;壓力;柔性傳感器

傳感器是一種可以感受到被測信息，并能將被測信息，按一定的規律轉換成為電信號或其他形式的信息的檢測裝置，滿足了信息的傳輸、處理、儲存、顯示、記錄等要求。傳感器具有微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化的特點，成為了實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器的存在和發展，讓物體有了知覺，讓物體變得活了起來。通常根據傳感器的基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

1 還原氧化石墨烯壓力傳感器概述

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以 sp2 雜化軌道組成六角形蜂巢晶格的二維材料，且只有一個碳原子厚度。由于其獨特的物理化學性質（如高表面積、良好的導電性、機械強度高、易于功能化等等），石墨烯在傳感器方面的應用受到人們越來越多的關注。本文論述了石墨烯壓力傳感器的研究進展。

由于石墨烯優良的導電性能，作為壓力傳感器使用的時候，不需要額外制作電極，降低了器件結構的復雜性，而且具有天然的壓阻效應。由于石墨烯厚度是nm尺度，可以直接制備到柔性基底上，轉移到柔性基底上也十分便捷，所以在生物醫學領域的壓力檢測方面具有非常不容小覷的應用潛力。已經有許多基于石墨烯的壓力傳感器的相關報道，但是靈敏度不夠高。因此制備出一種測量范圍更大靈敏度更高的石墨烯壓力傳感器非常必要。機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉積法等傳統的石墨烯制備方法能制備高質量的石墨烯，但是這些方法存在一些問題，比如成本較高、制備時間較長、過程復雜、儀器太過昂貴等。

2 傳感器制備

2.1 氧化石墨烯的制備

本文采用原位生成法實驗進行氧化石墨烯的制備，將高錳酸鉀作為氧化劑加入到石墨、硫酸和 Na3PO4的混合物中，反應生成氧化石墨.高錳酸鉀和磷酸鈉的組合使用使生成的氧化石墨氧化程度更高，結構更規整且易于在水中發生溶脹和層離.這種方法優點是原位生成磷酸，避免了使用高腐蝕性的硝酸，用弱腐蝕性的磷酸。并且用高錳酸鉀代替氯酸鉀減少了有毒氣體的排放，提高了制備的安全性和環保性。并在1∶9的磷酸和硫酸的混合物中進行反應，可提高氧化效率。此方法不涉及大量放熱，溫度易于控制，無有毒性氣體逸出，在大規模制備氧化石墨烯材料中被廣泛采用。

2.2 石墨烯傳感器的制備

取多層氧化石墨烯粉末置于玻璃杯中，在玻璃杯中加入10ml的去離子水溶液;超聲2-3小時;將氧化石墨烯溶液抽濾到表面氈上;用氫碘酸溶液浸潤后放入箱式高溫爐，溫度調到80攝氏度干燥兩到三小時;涂抹導電銀漿，插入導線，放入箱式高溫爐固化。

2.3 石墨烯薄膜的制備

在壓片機上放入稱量好的石墨烯并用稱量紙隔離，使石墨烯被壓片機所加載的力進行一定時間的壓制，揭開稱量紙，小心剝離初步得到的石墨烯片，將石墨烯片使用裁刀裁成20×20mm的形狀，得到最終制成的石墨烯片。

3 柔性傳感器分析

3.1 石墨烯柔性傳感器機理

石墨烯柔性傳感器的工作原理是利用了石墨烯的壓變效應。傳感器佩戴在人體上或者某些精密儀器上時，當應變一發生，柔性傳感器迅速將力學信號傳出，石墨烯獨特的層與層結構感受到人體或儀器傳來細微的應變，應變使層與層之間的距離以及接觸面積發生改變，從而引起接觸電阻的改變，再通過儀器將實時的電阻保存下來，通過數據處理得到實時的電阻變化率，再將變化率與時間繪制成曲線，由此轉化為人們淺顯易懂的圖形數字信號或者可顯示應變變化的圖形，使其易于觀察人體或機器的變化與識別人體疾病或機器損傷，進而來進行人體健康的檢測或機器的健康監測。

3.2 柔性傳感器的應用

柔性物理測控技術在航空航天材料、醫療設備，船舶、宇宙工程、電學應用、機械制造、化工、輕工、生物醫學工程、數字多媒體娛樂、體育器材、服裝復合材料等技術領域得到越來越廣泛的應用，慢慢的進入人們的生活。而且柔性傳感器由于它的適用范圍及其廣泛，現在已經到了一個發展柔性傳感器的好時代。

譬如在柔性傳感器在醫療設備中的應用，就是在衣服中放置柔性傳感器。傳感器設置為里外兩層。外層就是感知外部環境比如天氣的變化，濕度，溫度的變化這種外界因素，內層用于檢查被檢查者的生命特征即運動狀態。實時反應被檢測者的各項指標，并可推算出被檢測者的勞累程度。如果穿著者有任何不適，衣服會打電話給穿著者的醫生并向其傳輸身體各項指標數據。

4 結語

石墨烯柔性傳感器可以應用于跟蹤人體活動與人體健康檢測，對于微小應變也有靈敏的反映，具有高靈敏度，優秀的力學性能。實驗中制備氧化石墨烯過程繁瑣，但制備的氧化石墨烯純度高，節約成本，自己制備出原材料，材料的性能更好。傳感器本身有著極高的要求例如：必須適應大量卻微小的應變，對重復循環具有高耐久性，快速響應和低蠕變變形，對微小形變具有高敏感性，傳感器自身不能妨礙或干擾接頭的自然運動等，這些要求提高了精準度的同時也帶來了很多挑戰。

參考文獻：

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