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

本文亮点

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。

2 综述将为未来研究高质量石墨烯触觉传感器及其对科学界的影响提供良好的指导。

3 本文还介绍了石墨烯及其衍生物的一些基本和关键问题，如电荷输运原理、掺杂/俘获行为、结构/形貌与性能/功能之间的关系。

内容简介

济南大学前沿交叉科学研究院刘宏教授课题组在本综述中总结了基于石墨烯及其衍生物构筑的各类型触觉传感器（电子皮肤）的研究现状。

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。

研究背景

电子皮肤是通过电学信号的集成与反馈来模拟人体皮肤感受外界刺激（压力、温度、湿度）的新型电子器件。石墨烯是由单层碳原子组成的六角晶格，是一种典型的二维材料。石墨烯兼具透明、导电、柔性、稳定、机械强度稳定等特性，在智能穿戴、人机互动、智能检测领域发挥着重要的作用。在电子皮肤新兴电子学领域，基于石墨烯的独特性质可以构筑传导机制不同的触觉传感器，实现大面积、高灵敏、高分辨、自供能等特性，推动机器人、可穿戴领域的快速发展。

图文导读

压容式传感器

压容式传感器基于压力改变介质层电容的变化实现高灵敏触觉传感。Yang及其同事展示了一种新型3D微共形石墨烯电极，用于超灵敏和可调谐柔性电容式压力传感器。由于电极的粗糙度可以有效地提高电容式触觉传感器的性能，通过可控的微共形结构调节灵敏度，构筑的传感器具有高灵敏度，快速响应速度，超低检测限，可调灵敏度，而且通过将PDMS介电层夹在顶部MGrE和底部电极之间可获得柔韧性和高稳定性。

图1 典型的电容式触觉传感器，石墨烯作为电极。(a)不同共形石墨烯电极的制造工艺示意图和源自PMMA基，紫外线固化粘合剂介导和微形式转移方法的三种石墨烯膜的SEM图像；(b)基于MGrE的电容式压力传感器的示意图，感测机构的示意图和该压力传感器的抓握。

压阻式传感器

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。

图3 通过CVD获得的2D石墨烯薄膜用于压阻式压力传感器。(a)由2D石墨烯膜和PET基板组成的触觉传感器的制造过程的示意图; (b)超薄，透明和柔韧的触觉传感器的光学照片。插图：传感器的几何尺寸; (c)在5,10,15和20 mm的不同轴向距离下，设备对纵向位移的灵敏度。

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。

图4 3D石墨烯材料，金属多孔材料作为模板，用于触觉传感。(a)用石墨烯多孔网络结构制造压力和应变传感器的示意图; (b)对应于不同步行/弯曲状态和腕部血压的相对阻力的信号变化。

基于仿生思路的传感器，自然界中有许多通过自然选择而形成的适应良好的层次结构，这些结构对生物体的生存至关重要。Shar-Pei狗皮肤的高维度图案可以承受大的面内拉伸并提供触觉感知，因此基于皱纹皱褶RGO电极具有高拉伸性和对应变不敏感的电阻曲线。

图5 受动物和植物器官启发的微结构为基于石墨烯的触觉传感器的活性材料的制备提供了有趣的想法。(a)使用Canny边缘检测比较Shar-Pei狗的皮肤和RGO皱褶之间的表面形貌; (b)连续手术机器人与制造的压力传感器，用于碰撞意识到经口机器人手术程序。

FET式传感器

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。

Khan等人构建了一种基于单电极模式摩擦电纳米发电机(S-TENG)与石墨烯石墨烯触控传感器(GFET)共面耦合的石墨烯触控传感器。当任何物体接触到S-TENG的摩擦层时，由于摩擦电效应会产生电荷，摩擦电效应可以作为栅偏置，在没有任何外部栅电压的情况下调节通道电流的传输。所制备的摩擦电子传感器灵敏度≈2% kPa−1，检测限<1kPa，响应时间≈30 ms。

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。

展望

具有数字和智能读出功能的多功能触觉传感器是现代电子皮肤应用所需要解决的重要问题。因此，构建高性能的触觉传感器阵列以及有效的模式识别算法显得尤为重要。我们相信，在化学、物理、材料科学、微纳加工、计算机科学等学科科学家的共同努力下，基于石墨烯的高性能触觉传感系统的潜在商业应用将很快成为现实。

作者简介

苗培

(本文第一作者)

济南大学化学化工学院硕士

主要研究领域

主要研究方向为先进功能材料的组装及其在传感器方面的应用。

张丛丛

(本文通讯作者)

济南大学前沿交叉研究所讲师

主要研究领域

主要致力于分子电子学，高功能超分子纳米组装和基于FETs的生物传感器等方面的研究工作。

Email: ifc_zhangcc@ujn. edu.cn

程珊珊

(本文通讯作者)

天津大学理学院讲师

主要研究领域

主要致力于纳米材料、有机场效应晶体管和用于生物传感和生物医学应用的传感器的研究。

Email: Chengss@tju.edu.cn

刘宏

(本文通讯作者)

济南大学前沿交叉研究院院长

山东大学晶体材料国家重点实验室教授

主要研究领域

目前主要研究方向为组织工程、纳米材料和纳米器件，特别是纳米材料和纳米器件在气体和生物传感器、环境保护、新能源等领域的应用。

Email: hongliu@sdu.edu.cn