石墨烯壓力傳感器在可穿戴電子器件中的研究進(jìn)展

蘇和平， 王晨雪， 朱陽陽， 王璐， 李占國， 王麗娟*

（1.長春工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 吉林 長春 130012；2.梧州學(xué)院 廣西機(jī)器視覺與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗室， 廣西 梧州 543002）

1 引言

壓力傳感器在人工智能、電子皮膚、工業(yè)應(yīng)用、顯示器中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［1-3］。近年來，隨著對人體健康監(jiān)測器件［4］、醫(yī)療診斷工具［5］等方面需求越來越大，具有靈敏度高、響應(yīng)快、工作壓力范圍寬、功耗低等優(yōu)勢的高性能壓力傳感器［6］受到廣泛關(guān)注。特別是在人機(jī)交互顯示器技術(shù)中，將壓敏晶體管和有機(jī)發(fā)光二極管進(jìn)行集成，能夠使壓力可視化，是未來顯示的新方向［2］。在壓力傳感器中，存在靈敏度高卻檢測范圍小，工藝復(fù)雜、能耗高的問題，因此研究人員迫切需要改進(jìn)傳感器的結(jié)構(gòu)，來提高傳感器的綜合性能。

石墨烯由于具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性、柔韌性、導(dǎo)熱性、載流子遷移率和機(jī)械強(qiáng)度，在提高壓力傳感器性能方面受到廣泛關(guān)注。石墨烯材料不僅在工業(yè)壓力傳感器中表現(xiàn)出應(yīng)用潛力，更是在可穿戴的柔性壓力傳感器、屏幕技術(shù)［7］中有很好的應(yīng)用前景，是一種十分優(yōu)秀的二維材料，可以集成到各種可穿戴電子器件中。此外，石墨烯還可以加工成各種形狀的一維纖維、二維薄膜和三維結(jié)構(gòu)。在大規(guī)模應(yīng)用方面，北京石墨烯研究院已經(jīng)研究出石墨烯/聚甲基硅氧烷（PDMS）壓力傳感器［8］，但是性能上相對各式各樣的實(shí)驗室產(chǎn)品還需進(jìn)一步提高。中國科技大學(xué)在實(shí)驗室階段的石墨烯壓力傳感器則在類皮膚的應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了超高的靈敏度（480 kPa-1），達(dá)到了國內(nèi)同類型一流水平［9］。迄今為止，石墨烯及其衍生物和石墨烯復(fù)合材料在壓力傳感器領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的研究。

本文綜述了石墨烯壓力傳感器在可穿戴電子器件中的研究進(jìn)展，包括石墨烯材料的優(yōu)勢、制備方法、石墨烯壓力傳感器設(shè)計和在可穿戴電子器件中的應(yīng)用前景。討論了當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)，以及石墨烯壓力傳感器發(fā)展前景。

2 石墨烯材料特性

2.1 石墨烯在壓力傳感器中的優(yōu)勢

石墨烯內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)蜂窩狀的晶格排列，由碳原子連接而成，為石墨烯賦予了優(yōu)秀的性能，在電化學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域大放異彩［10］。Changgu Lee等人在原子力顯微鏡下測量了獨(dú)立單層石墨烯的彈性性能和固有斷裂強(qiáng)度，二階彈性剛度為340 N·m-1，斷裂強(qiáng)度為42 N·m-1，對應(yīng)的楊氏模量為E=1.0 TPa，抗拉伸強(qiáng)度為130 GPa，表現(xiàn)出了優(yōu)秀的力學(xué)性能［11］。單層石墨烯分子結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示［12］。石墨烯與石墨不同，石墨烯具有獨(dú)特的零帶隙和半金屬性質(zhì)。更重要的是，零帶隙點(diǎn)的獨(dú)特電子特性使石墨烯具有高導(dǎo)電性，在300 K溫度下的石墨烯的載流子遷移率可以達(dá)到100 000 cm2/（V·s）［13］。優(yōu)秀的機(jī)械性能和載流子遷移率使石墨烯在壓力傳感器方面的應(yīng)用展現(xiàn)出了巨大潛力。另一方面，石墨烯的原材料成本較低，性能在制造過程中較為穩(wěn)定，成為柔性電子設(shè)計的理想材料［14］。

壓力傳感器根據(jù)傳感機(jī)制的不同主要可分為壓阻式［15］、電容式［16］和壓電式［17］。傳統(tǒng)的金屬和半導(dǎo)體壓力傳感器因為受到剛性、脆性、靈敏度低、傳感范圍窄、分辨率低、拉伸能力弱等限制導(dǎo)致應(yīng)用范圍以及發(fā)展受到影響［18-19］。因此可以借助于柔性材料石墨烯提高壓力傳感器的靈敏度［20］等性能，拓寬壓力傳感器的應(yīng)用范圍。

2.2 石墨烯的制備

自2004年Konstantin Novoselov等人采用機(jī)械剝離石墨的方法制備石墨烯以來，研究者們開發(fā)了各種方法來合成不同結(jié)構(gòu)的石墨烯材料［22］。到目前為止，石墨烯的制造方法主要有“自上而下”和“自下而上”兩種方法［23］，如圖1所示。“自上而下”方法可規(guī)模化，并且成本較低，包括微機(jī)械剝離［24］、溶液剝離［25］、碳納米管的解壓縮［26］等方法。微機(jī)械剝離是獲得石墨烯的一種簡單方法，即石墨烯薄片從大塊石墨中剝落。在反復(fù)粘附后可以獲得單層石墨烯［22］。溶液剝離是一種合成少層、多層石墨烯的有效方法，主要由3個步驟組成：石墨預(yù)處理、石墨烯薄片剝離和剝離石墨烯分離［23］。碳納米管的解壓縮是利用sp2鍵對氫離子的敏感性來獲得高質(zhì)量石墨烯薄片的一種方式。但是在剝離石墨烯的過程中，將大塊的碳切割成小塊的石墨烯片會產(chǎn)生缺陷［24］。

“自下而上”方法是通過原子組裝的形式來制備石墨烯，包括化學(xué)氣相沉積（CVD）［27］、外延生長［28］和還原法［29］。CVD是一種通過化學(xué)反應(yīng)引入氣體反應(yīng)物，在襯底物表面形成固體薄膜的薄膜技術(shù)［23］。外延生長則是利用單晶銅箔作為基底，將一個個石墨烯島在銅箔表面進(jìn)行生長、合并，并且制備的石墨烯薄膜遷移率可以達(dá)到23 000 cm2/（V·s）［28］。還原法合成是利用還原劑來還原氧化石墨烯制備石墨烯材料。

與“自上而下”方法相比，“自下而上”方法制備的石墨烯質(zhì)量更高，缺陷也較少，但制備難度相對較大，成本相對較高［30］。氧化石墨烯（GO）和還原氧化石墨烯（rGO）在一定程度上作為石墨烯的替代品，其重要的原因是成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)。制備方法如圖1（b）～（d）所示。

3 使用石墨烯提高壓力傳感器性能的設(shè)計

在設(shè)計壓力傳感器時，應(yīng)考慮靈敏度、檢測范圍、線性度、響應(yīng)時間等性能參數(shù)。根據(jù)使用的場景不同，對性能的需求也會有所變化。

隨著石墨烯在壓力傳感器中的應(yīng)用，壓力傳感器表現(xiàn)出了明顯的變化，無論是將石墨烯與其他材料結(jié)合應(yīng)用到傳感器中［20］，還是改變石墨烯本身的形狀［31］等措施，都在一定程度上提高了壓力傳感器的性能。首先，石墨烯壓力傳感器在結(jié)合的材料上可以是聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）［20］、聚甲基硅氧烷（PDMS）［9］，也可以是纖維，例如紙［32］、棉花［33］，同時石墨烯本身［34］也可以進(jìn)行雜化。其次在關(guān)鍵材料制備方法上通常為CVD［20］、石墨烯溶液自組裝［32］、超聲混合［34］等。最后在結(jié)構(gòu)上大多是石墨烯材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，例如由PDMS微錐與石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)、PMMA與石墨烯的立體結(jié)構(gòu)［35-38］、石墨烯和纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)［32］、石墨烯和氧化石墨烯組成的雜化結(jié)構(gòu)［34］等。未來石墨烯壓力傳感器將進(jìn)一步和聚合物、纖維、石墨烯本身進(jìn)行更多方式的融合，帶來更多的變化。

3.1 靈敏度

靈敏度是壓力傳感器的主要參數(shù)之一，與檢測下限以及施加的壓力細(xì)微區(qū)分度有關(guān)，對于某些高精度需求的壓力傳感器來說非常重要。壓力傳感器的靈敏度是通過輸出信號的相對變化提取的，例如電流、電壓、電容等對外部壓力響應(yīng)的輸出信號。電阻式壓力傳感器的靈敏度一般表示為（ΔI/ΔI0）/P，ΔI、ΔI0、P分別表示電流、初始電流和輸入壓力的變化［39］。

聚合物在石墨烯壓力傳感器中起到特殊的作用。利用PMMA與石墨烯復(fù)合薄膜，獲得了電感電容微機(jī)電系統(tǒng)的壓力傳感器。復(fù)合薄膜的低彈性模量提高了傳感器的靈敏度，可達(dá)到25.79 kPa-1［20］，制備過程如圖2所示。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，這種復(fù)合薄膜壓力傳感器超過了同類型一般響應(yīng)頻率（可測的信號頻率范圍）［20］，表現(xiàn)出了很好的應(yīng)用潛力。通過對PDMS進(jìn)行直接激光刻劃制備的石墨烯薄膜，具備優(yōu)秀的導(dǎo)電性和機(jī)械性能，應(yīng)用到類皮膚壓力傳感器中具有超高的靈敏度（約480 kPa-1）［9］。

在可穿戴電子器件領(lǐng)域，紙基石墨烯壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了高靈敏度。將紙巾與氧化石墨烯溶液混合，并在烘箱中加熱幾個小時進(jìn)行還原，獲得氧化石墨烯紙［32］。紙基石墨烯電導(dǎo)率顯著提高，在壓力范圍為0～20 kPa時，靈敏度達(dá)到17.2 kPa-1［32］。紙基石墨烯工藝簡單，在可穿戴電子器件領(lǐng)域具有大規(guī)模化生產(chǎn)的潛力，其制備過程如圖3（a）所示。另一方面，可以基于人類表皮微結(jié)構(gòu)制備高靈敏度的石墨烯壓力傳感器。通過結(jié)合砂紙模板和還原氧化石墨烯，壓力傳感器獲得一種特殊的表面形態(tài)，展現(xiàn)隨機(jī)分布的棘狀結(jié)構(gòu)，大幅度提高了內(nèi)部接觸面積，在0～2.6 kPa的范圍內(nèi)靈敏度高達(dá)25.1 kPa-1，具有優(yōu)秀的線性度，可用于檢測人體生理信號［40］。紙基石墨烯壓力傳感器和相關(guān)圖片如圖3（b）～（h）所示。

除此之外，切割多孔彈性還原石墨烯凝膠（rGA）也是一個制備手段，切割單片rGA（CGA）制備的壓阻壓力傳感器相比于未切割之前的rGA（UCGA）制備的傳感器，靈敏度提高了10倍［41］。

3.2 檢測范圍和線性度

檢測范圍是壓力傳感器的另外一個重要參數(shù)，決定了壓力傳感器的工作壓力范圍和應(yīng)用場景。通用的壓力傳感器需要在保證靈敏度的情況下盡可能地擴(kuò)大檢測范圍。另一方面，許多傳感器在靈敏度和線性度上需要權(quán)衡。具有高靈敏度的傳感器需要在有限的壓力范圍內(nèi)工作，而能夠檢測到大范圍壓力的傳感器在低壓條件下存在非線性和不穩(wěn)定的響應(yīng)［42］。線性度是在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出的百分比。線性度也是一個關(guān)鍵參數(shù)，可以確定傳感器在指定的施加壓力范圍內(nèi)近似于直線的程度。從線性度上確定了傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性，有助于開發(fā)具有較寬線性響應(yīng)范圍的超靈敏器件［43］。因此，壓力傳感器要兼顧線性度和靈敏度。

利用結(jié)構(gòu)材料，在受力時接觸和形變的緩慢提高，可獲得高靈敏度和高線性度的壓力傳感器［42，44］。利用石墨烯和丁苯橡膠（SBR）骨架結(jié)合，設(shè)計了仿生多孔石墨烯-SBR壓力傳感器（PGSPS），形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高了傳感器性能，具有高靈敏度（1.05 kPa-1）、寬檢測范圍（0～150 kPa）。將PGSRS集成到鞋墊中，用于無線鞋內(nèi)系統(tǒng)，收集相關(guān)壓力數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)智能步態(tài)分析［45］。制備流程如圖4所示。

通過設(shè)計一種新結(jié)構(gòu)的石墨烯壓力傳感器，結(jié)合平面薄膜和梯形棱鏡，獲得石墨烯壓敏電阻器，可以高效檢測低壓［46］，具有高靈敏度和低非線性度。根據(jù)仿真結(jié)果，傳感器在20.68 kPa的范圍內(nèi)，靈敏度約為168.92 mV/kPa［46］。傳感器的3D結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 傳感器的3D結(jié)構(gòu)［46］Fig.5 3D structure of the sensor［46］

石墨烯復(fù)合材料在壓力傳感器上展現(xiàn)了很好的性能。利用石墨烯納米復(fù)合材料（還原氧化石墨烯（rGO）/α-Fe2O3納米復(fù)合材料）制備真空壓力傳感器，具有很好的檢測范圍和靈敏度［47］，檢測范圍從100 kPa的大氣壓力到4×10-7kPa的真空壓力，靈敏度為2×10-3kPa-1。檢測原理是利用傳感器表面的氣體化學(xué)吸附、傳感材料的導(dǎo)熱系數(shù)以及還原氧化石墨烯層之間的范德華力的共同作用［47］。rGO/α-Fe2O3納米復(fù)合材料合成的流程如圖6所示。

圖6 rGO/α-Fe2O3納米復(fù)合材料的逐步合成流程［47］Fig.6 Step by step synthesis of rGO/α-Fe2O3 nanocomposites［47］

用聚酯長絲（PET）作為基材，使用二維過渡金屬碳化物和氮化物（MX）以及還原氧化石墨烯（rGO）復(fù)合材料，采用“浸漬-干燥”方法制備了基于MX/rGO PET的柔性壓力傳感器，提高了壓力傳感器的性能［48］。獲得的MX/rGO PET傳感器靈敏度達(dá)到了1.24 kPa-1，線性度（R2）達(dá)到0.99［48］。

3.3 響應(yīng)時間

響應(yīng)時間是壓力傳感器從輸入壓力到產(chǎn)生穩(wěn)定的信號輸出的響應(yīng)過程中的時間消耗。響應(yīng)時間決定了傳感器在外部刺激下響應(yīng)的快慢，是評價壓力傳感器性能的一個重要參數(shù)，在動態(tài)實(shí)時傳感中尤其重要。即時響應(yīng)顯示、電子皮膚、實(shí)時監(jiān)測醫(yī)療保健系統(tǒng)等領(lǐng)域，都需要縮短響應(yīng)時間。石墨烯材料顯著提高了壓力傳感器的快速響應(yīng)能力（響應(yīng)時間＜100 ms）［5］。

在漿細(xì)胞膜生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，制備了含有部分氧化石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。含有—COOH的“路徑”是離子的過濾器和導(dǎo)體，有利于電荷的定向流動，產(chǎn)生電流或電壓信號［49］。因此，該膜可以作為離子傳輸層，促進(jìn)自動力壓力傳感。由離子選擇性產(chǎn)生壓力驅(qū)動的輸出壓力（或電流），與施加的壓力呈線性關(guān)系，獲得自動力仿生壓力傳感器，響應(yīng)/恢復(fù)時間為90/110 ms［49］。

激光可以用來輔助石墨烯薄膜生產(chǎn)。通過在空氣中直接激光劃線生產(chǎn)成型石墨烯薄膜，控制激光功率調(diào)節(jié)石墨烯的晶體質(zhì)量和導(dǎo)電性，制備圖案化的導(dǎo)電石墨烯薄膜，具有高導(dǎo)電性和機(jī)械性能，可以作為電極制備類皮膚壓力傳感器［9］，響應(yīng)時間為2 μs［9］。響應(yīng)特性如圖7所示。

4 石墨烯壓力傳感器的應(yīng)用

研究人員采用不同的制造技術(shù)，獲得了高靈敏度、超低檢測限、快速響應(yīng)的石墨烯壓力傳感器，可以檢測到人體壓力的輕微變化，在醫(yī)療保健監(jiān)測、人體運(yùn)動監(jiān)測、血壓測量等生物領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

4.1 人體行為和健康檢測

近年來，可穿戴電子器件發(fā)展迅速。雖然基于不同材料的可穿戴電子器件已經(jīng)開展了很多研究，但基于石墨烯材料的傳感器研究剛剛起步。石墨烯本身優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，在可穿戴電子器件的開發(fā)和應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力。此外，石墨烯及其衍生物由于優(yōu)異的壓阻性和易于加工，適合于可穿戴電子器件的制造。可穿戴電子器件通常由3部分組成：（1）柔性襯底用以支撐材料和適應(yīng)目標(biāo)的特殊表面；（2）傳感元件用于探測和轉(zhuǎn)換，將輸入信號轉(zhuǎn)換為可視的電信號；（3）用于電信號輸出的電極［50-51］。不同結(jié)構(gòu)的石墨烯復(fù)合材料也用于制備柔性傳感器。其中，柔性石墨烯薄膜［52］、石墨烯紡織品［53-54］、多孔石墨烯復(fù)合材料［55］、石墨烯復(fù)合水凝膠［56］用于石墨烯壓阻傳感器，不僅可以監(jiān)測心率、體表溫度、血氧水平、運(yùn)動量等生理參數(shù)，還可以監(jiān)測與炎癥、胰島素相關(guān)的重要生理指標(biāo)。

壓力傳感器可附著在人體上，如圖8所示。靈活的傳感器可以很好地監(jiān)測人體的運(yùn)動［43］，如手指彎曲［57］、肘部或手臂彎曲［57-58］、膝蓋彎曲［59］、聲帶振動［60-61］、吞咽活動［59，62］、臉頰運(yùn)動或隆起［61，63］、呼吸過程［64］、行走和跑步［7，58］。

圖8 各種研究文章中報道的柔性壓力傳感器的人體運(yùn)動監(jiān)測應(yīng)用，如手指彎曲［61］、肘關(guān)節(jié)彎曲［57］、膝蓋彎曲［59］、聲帶振動［60］、臉頰運(yùn)動［63， 65］、吞咽［59］、呼氣或吸氣［63］、行走和跑步［7］。Fig.8 Human motion monitoring applications of flexible pressure sensors reported in various research articles， such as finger flexion［61］， elbow flexion［57］， knee flexion［59］， vocal cord vibration［60］， cheek movement［63， 65］， swallowing［59］， exhaling or inhaling ［63］， walking and running［7］.

對于健康檢測，可穿戴的紡織器件具有重要的影響力。集成到日常服裝中的可穿戴紡織器件，實(shí)用且易于感知［66］。天然紡織材料具有獨(dú)特的縱橫交錯的編織結(jié)構(gòu)，可用于連接導(dǎo)電納米材料，形成連續(xù)的導(dǎo)電路徑。通過將紡織纖維材料與各種導(dǎo)電材料相結(jié)合，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)大幅提高了導(dǎo)電紡織品的性能，是觸覺傳感器的理想基板。與傳統(tǒng)的可穿戴電子器件相比，電子紡織品具有透氣性、便攜性、耐磨性、形狀適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)［67］。其中石墨烯紡織品在電子紡織品中表現(xiàn)優(yōu)秀。以商用聚酯織物為基材，通過靜電放電技術(shù)表面沉積GO，通過熱還原對織物進(jìn)行退火和rGO涂覆（圖9）。靜電放電技術(shù)操作簡單，大大改善了石墨烯與紡織品的界面結(jié)合，充分發(fā)揮了紡織品的優(yōu)良結(jié)構(gòu)和石墨烯的傳感性能。基于獨(dú)特的交織結(jié)構(gòu)，rGO紡織品對不同方向的應(yīng)變和壓力具有良好的傳感特性，可以監(jiān)測人體運(yùn)動的橫向變形以及縱向呼吸、脈搏等壓力信號［68］。

圖9 靜電放電技術(shù)沉積還原氧化石墨烯紡織品的結(jié)構(gòu)和機(jī)理示意圖［68］Fig.9 Schematic diagram of structure and mechanis of reduced GO textiles deposited by electrostatic discharge［68］

4.2 人機(jī)界面

目前，基于壓力傳感器實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人對人機(jī)界面技術(shù)有很高的需求［69-72］，需要具有高靈敏度和快速響應(yīng)特性，及人機(jī)交互實(shí)時跟蹤的能力。利用氧化石墨烯（GO）設(shè)計了一種具有微裂紋和互鎖結(jié)構(gòu)的柔性傳感器件薄片和聚氨酯泡沫，將傳感器連接到玩具機(jī)器人的股骨關(guān)節(jié)上，并連接無線發(fā)射機(jī)，檢測人體運(yùn)動和空間壓力分布［73］。傳感器給出在機(jī)器人手觸摸傳感器時，智能手機(jī)無線信號的變化和輸出信號的變化幾乎相等，表明傳感器具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，如圖10所示。

圖10 連接在玩具機(jī)器人股骨關(guān)節(jié)上的傳感器，用手觸摸傳感器時，通過手機(jī)上的無線通信監(jiān)測傳感器響應(yīng)［73］。Fig.10 A sensor attached to the femur joint of the toy robot monitors the response of the sensor through wireless communication on the mobile phone when the sensor is touched by the hand［73］

利用還原氧化石墨烯作電極開發(fā)的一種可伸縮的壓力傳感器具備仿生表面，可以將該傳感器與機(jī)器人結(jié)合，用于人體內(nèi)部機(jī)器人手術(shù)。在尸體測試過程中，還原氧化石墨烯傳感器可以實(shí)時檢測機(jī)器人在關(guān)節(jié)拉伸下的組織接觸，提高外科醫(yī)生的避碰意識［74］。可伸縮還原氧化石墨烯壓力傳感器在大應(yīng)變下高度敏感，在可穿戴電子器件和碰撞感知機(jī)器人領(lǐng)域有巨大的潛力，可以用來改善人機(jī)交互技術(shù)。

4.3 電子皮膚和可穿戴顯示器

電子皮膚對壓力、濕度和人體皮膚溫度具有響應(yīng)能力，特別是檢測輕微壓力變化的能力，受到極大關(guān)注［75-76］。在人類健康監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷、觸覺傳感器、人工智能等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景［77］。壓力傳感器可以將外力的變化轉(zhuǎn)換為電信號或其他識別信號，是電子皮膚的基本部分。為了實(shí)現(xiàn)超靈敏的電子皮膚，壓力傳感器需要具備超靈敏的壓力感應(yīng)、對人體監(jiān)測的高響應(yīng)速度、實(shí)際應(yīng)用的高穩(wěn)定性和可穿戴的靈活性。而石墨烯具備的優(yōu)秀物理性能，對壓力傳感器性能有很大提升，可以滿足電子皮膚的要求。

氧化石墨烯（GO）輔助真空過濾石墨烯（Gr）的復(fù)合薄膜（GO/Gr）電阻傳感器中，氧化石墨烯表面活性劑可防止石墨烯重新堆積和聚集，這種石墨烯雜化結(jié)構(gòu)具有與頻率無關(guān)的壓力電阻傳感特性，具有良好的穩(wěn)定性（8 000次循環(huán)）和從靜態(tài)到10 000 Hz的動態(tài)壓力超快響應(yīng)［28］。傳感器的動態(tài)壓力響應(yīng)如圖11所示。

圖11 GO/Gr復(fù)合薄膜的動態(tài)響應(yīng)。（a）100 Hz加載壓力下輸出電流的響應(yīng)；（b）加載頻率分別為2，8，10 kHz的GO/Gr復(fù)合雙層膜高頻電壓響應(yīng)，該曲線遵循輸入的壓力信號［28］。Fig.11 Dynamic response of GO/Gr composite films. （a） Response of output current under loading pressure of 100 Hz；（b） High frequency voltage response of GO/Gr composite bilayer with loading frequencies of 2， 8， 10 kHz， respectively. The curve follows the input pressure signal［28］.

未來在智能手機(jī)、可穿戴電子器件中，實(shí)現(xiàn)任意彎曲或折疊，具有人體健康監(jiān)測和顯示的多功能穿戴顯示器，可作為任意變形的交互式屏幕，實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用。電子皮膚的壓力傳感器與可拉伸全聚合物發(fā)光二極管［78］結(jié)合，有可能形成一種肌膚彈性的、可健康監(jiān)測的新型可穿戴顯示器。可粘貼在手臂、手指上，也可以直接附著在皮膚上，在彎曲時不會撕裂，是一種具有監(jiān)測功能的可拉伸顯示器的電子皮膚。

未來將壓力傳感器和顯示技術(shù)結(jié)合后，可以在屏幕上看到和感覺到三維物體。利用體積輕巧、佩戴方便，具備成像、治療、對身體健康指標(biāo)和疾病進(jìn)行早期監(jiān)測等多種功能的可穿戴顯示器，這種全新的遠(yuǎn)程互動方式將是未來顯示發(fā)展的必然趨勢。

5 結(jié)論

隨著可穿戴電子器件行業(yè)的發(fā)展，對更專業(yè)和高性能壓力傳感器的需求也在增加。本文綜述了基于石墨烯材料的壓力傳感器的研究進(jìn)展。石墨烯材料具備優(yōu)秀的物理性質(zhì)，通過與其他材料復(fù)合，結(jié)合傳感器襯底和結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計，石墨烯復(fù)合材料的壓力傳感器表現(xiàn)出了優(yōu)異的靈敏度、響應(yīng)速度和檢測范圍，在人體行為和健康監(jiān)測、人機(jī)交互、電子皮膚等方面表現(xiàn)出不俗的潛力。但要滿足不同的應(yīng)用需求，石墨烯壓力傳感器在長期穩(wěn)定性和機(jī)械適應(yīng)性方面仍需改進(jìn)。石墨烯壓力傳感器由導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和柔性襯底兩部分組成。石墨烯材料及在反復(fù)外力作用下不可逆斷裂形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致傳感器性能退化，難以保持長期性能穩(wěn)定。此外，應(yīng)用于人體的壓力傳感器的機(jī)械約束也是一個待解決的問題。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，石墨烯壓力傳感器可以通過電子工程、生物醫(yī)學(xué)工程、材料科學(xué)、顯示技術(shù)等各個快速發(fā)展的研究領(lǐng)域的合作，為人類的生產(chǎn)生活做出巨大貢獻(xiàn)。