电子皮肤大汇总！基于石墨烯的触觉传感器

Graphene Nanostructure-based Tactile Sensor for Electronic Skin Applications

Pei Miao, Jian Wang, Congcong Zhang^*, Mingyuan Sun, ShanshanCheng^*, and Hong Liu^*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 71

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0302-0

1 石墨烯及其衍生物的研究取得了巨大进展，为低成本、便携、实时触觉传感器/电子皮肤带来了巨大的优势。

▍内容简介 ▍

首先，简要介绍了石墨烯及其衍生物在触觉传感应用的相关概念和制备方法。然后，重点讨论了如何提高触觉传感器性能，总结了基于压容式、压阻式（基于一维、二维、三维石墨烯结构）、FET类型所使用的石墨烯材料的独特作用和优势。最后，概述了石墨烯传感器的发展前景和面临的挑战。我们希望这些讨论将有助于未来针对高质量石墨烯触觉传感器的研究。

由于一维石墨烯结构的高纵横比有利于快速捕获和释放外部刺激信号。据Nakamura及其同事报道，以镍丝为模板，可以得到一维空心管CVD石墨烯纤维(TGFs)，并涂以PDMS作为电阻式应变传感器的活性材料。在电荷传导过程中，PDMS作为束间跳跃的屏障，使得基于TGFs的应变传感器比基于多壁碳纳米管(MWCNT) /PDMS复合材料的应变传感器具有更好的传感性能。

图2 用于压阻式压力传感器的典型1D石墨烯架构。(a)具有PDMS支持的石墨烯纤维的照片; (b)去除Ni后石墨烯/ PDMS中空管的横截面视图的SEM图像; (c)随机堆叠的静电纺丝纳米纤维的FESEM图像; (d)对于不同的基板厚度，当弯曲到180μm的半径时，传感器在弯曲和响应曲线中的压力响应测量示意图; (e)在弯曲状态下测试器件的压力响应以及在1.4μm厚的PET基板上制造的器件的响应，对于不同的法向力，弯曲半径为15至80μm; (f)附着在软气囊表面上的集成传感器阵列的照片，通过挤压运动施加压力(顶部面板); 在复杂弯曲下测量的压力数据分布，显示没有来自变形的压力信号，例如起皱(底部面板)。

二维石墨烯薄膜因其透明性和灵活性，以及在光电子、发光二极管太阳能电池和传感器等领域的广泛应用，引起人们的广泛关注。CVD法是目前应用最广泛的制备高质量二维石墨烯薄膜的方法。徐和他的同事构建了一种基于多层CVD石墨烯薄膜的超薄柔性触觉传感元件，该传感器是通过一种非常简单的方法组装而成的，该方法包括一个PET衬底和两个未连接的石墨烯薄膜。良好的光学透明性使该传感器具有广泛的应用前景。

基于三维多孔结构的石墨烯是用于触觉传感器中最常见的自支撑材料。基于石墨烯片之间的大堆叠界面和π-π界面相互作用，实现了超轻密度、柔韧性、高导电性、高机械强度等特性。Pang及其同事使用镍泡沫作为模板和化学蚀刻方法来制造石墨烯多孔网络（GPN）。由于GPN中的孔隙，复合材料作为压力和应变传感器分别在基于石墨烯泡沫的传感器中表现出宽的压力感应范围和高的灵敏度。

FET器件每个部分的优化都可以增强器件的性能，也可以为高质量的触觉传感器提供机会。迄今为止，FET触觉传感器的大多数介电层是固体物质，其中半导体的电荷载流子传输功能主要发生在活性材料/介电界面处的少数分子层中。

图6 通过将FET与摩擦电纳米发电机组合在一起的高性能传感器件。(a)石墨烯摩擦电装置的示意图; (b)石墨烯摩擦电触摸传感器的表征; (c)摩擦电GFET器件与聚(四氟乙烯)和Cu接触的能带图。