北航：一种基于缝制多层防滑布的高灵敏度柔性石墨烯压力传感器

成果简介

高灵敏度和可扩展的制造工艺对于柔性压力传感器的应用至关重要。然而，要提高压力传感器的灵敏度，制作工艺必然会变得更加复杂。本文，北京航空航天大学张晓静 副研究员、南京航空航天大学易敏 教授等研究人员在《Sensors and Actuators A: Physical》 期刊发表名为“A flexible graphene pressure sensor with high sensitivity based on sewn multi-layer anti-slip cloth”的论文，研究通过将缝合的多层防滑布浸泡在石墨烯油墨中，制作出了具有高灵敏度的柔性石墨烯压力传感器。

由于使用了市售的防滑布和石墨烯油墨，无需额外的化学还原剂，因此大大简化了制作过程。根据理论分析和实验测试，通过改变层数和颗粒数，找到了敏感层的最佳结构。借助防滑布上的半球形颗粒和结构设计，压力传感器显示出了高可靠性、出色的灵敏度（高达 0.40 kPa-1）和较大的工作范围（0-20 kPa）。该压力传感器还能检测人的活动，如声音、握力、手腕脉搏、呼吸等。

图文导读

图1.（a）流体力学产生的石墨烯的原子力显微镜（AFM）图像。（b） 测试系统示意图。

图2.（a）基于防滑布的柔性石墨烯压力传感器制备工艺示意图。（b） 防滑布的形象。（c） 缝制多层防滑布。（d） 涂有石墨烯的防滑布。（e） 柔性压力传感器。（f）防滑布的SEM图像。

图3.基于（a）两层防滑布和（c）三层防滑布的压力传感器在受力前后结构变化。基于（b）两层防滑布和（d）三层防滑布的压力传感器的等效电路图。（e） 粒子间极限距离示意图。

图4. (a) 基于颗粒较少的两层防滑布、颗粒较少的三层防滑布和颗粒较多的两层防滑布的压力传感器的相对阻力-压力曲线。(b) 采用相同制作程序制作的十种不同压力传感器的性能差异曲线。(c) 压力传感器的重复性测试。(d) 压力传感器的可靠性测试。

图5. 基于石墨烯的柔性压力传感器在灵敏度、工作范围（a）和弛豫时间（b）方面的对比。

图6. (a) 声音检测的实验结果。(b) 安装在喉部突出部位的柔性压力传感器。(c) 声音检测示意图。(d) 电子皮肤的实验结果。(e) 电子皮肤上的实验。

图7. (a) 手腕脉搏检测的实验结果。(b) 安装在手腕上的柔性压力传感器。(c) 手腕脉搏检测示意图。(d) 呼吸检测的实验结果。(e) 呼吸检测实验。

小结

总之，通过将多层防滑布缝合在一起，然后将防滑布浸泡在石墨烯油墨中，有效地制造出了具有高灵敏度的柔性压力传感器。防滑布可在市场上买到，石墨烯油墨避免了化学还原过程和环境污染，使制造具有潜在的可扩展性和低成本。与胶水相比，缝纫可以有效地将多层防滑布结合在一起，而不会影响其柔韧性。防滑布的组合形成了一种特殊的结构。由于硅胶颗粒之间的形变较大，因此灵敏度大大提高。

此外，通过理论计算和实验验证，减少层数可以在不改变灵敏度的情况下提高柔韧性，而减少颗粒数则可以提高灵敏度和柔韧性。因此，颗粒较少的双层防滑布是最佳结构。由于防滑布上的硅胶颗粒和结构设计，压力传感器具有高柔韧性、出色的可靠性和高达 0.40 kPa-1 的灵敏度，工作范围从 0 到 20 kPa。凭借出色的性能，该压力传感器已成功应用于语音、腕部脉搏和呼吸检测以及电子皮肤制作等领域。这种压力传感器具有可扩展、低成本、高性能等特点，为拓展人体健康监测、可穿戴电子设备和人机交互等领域的应用提供了一条新途径。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.sna.2023.114913