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電子皮膚大匯總!基于石墨烯的觸覺傳感器
更新時間:2019-09-15 瀏覽數:
石墨烯聯盟 2019-09-15



                                  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


▍本文亮點 ▍


1 石墨烯及其衍生物的研究取得了巨大進展,為低成本、便攜、實時觸覺傳感器/電子皮膚帶來了巨大的優勢。

2 綜述將為未來研究高質量石墨烯觸覺傳感器及其對科學界的影響提供良好的指導。

3 本文還介紹了石墨烯及其衍生物的一些基本和關鍵問題,如電荷輸運原理、摻雜/俘獲行為、結構/形貌與性能/功能之間的關系。


                                                                          ▍內容簡介 ▍

  

      濟南大學前沿交叉科學研究院劉宏教授課題組在本綜述中總結了基于石墨烯及其衍生物構筑的各類型觸覺傳感器(電子皮膚)的研究現狀。

  首先,簡要介紹了石墨烯及其衍生物在觸覺傳感應用的相關概念和制備方法。然后,重點討論了如何提高觸覺傳感器性能,總結了基于壓容式、壓阻式(基于一維、二維、三維石墨烯結構)、FET類型所使用的石墨烯材料的獨特作用和優勢。最后,概述了石墨烯傳感器的發展前景和面臨的挑戰。我們希望這些討論將有助于未來針對高質量石墨烯觸覺傳感器的研究。


                                                                           / 研究背景 /


   電子皮膚是通過電學信號的集成與反饋來模擬人體皮膚感受外界刺激(壓力、溫度、濕度)的新型電子器件。石墨烯是由單層碳原子組成的六角晶格,是一種典型的二維材料。石墨烯兼具透明、導電、柔性、穩定、機械強度穩定等特性,在智能穿戴、人機互動、智能檢測領域發揮著重要的作用。在電子皮膚新興電子學領域,基于石墨烯的獨特性質可以構筑傳導機制不同的觸覺傳感器,實現大面積、高靈敏、高分辨、自供能等特性,推動機器人、可穿戴領域的快速發展。


                                                                         ▍圖文導讀 ▍  


▍壓容式傳感器

  壓容式傳感器基于壓力改變介質層電容的變化實現高靈敏觸覺傳感。Yang及其同事展示了一種新型3D微共形石墨烯電極,用于超靈敏和可調諧柔性電容式壓力傳感器。由于電極的粗糙度可以有效地提高電容式觸覺傳感器的性能,通過可控的微共形結構調節靈敏度,構筑的傳感器具有高靈敏度,快速響應速度,超低檢測限,可調靈敏度,而且通過將PDMS介電層夾在頂部MGrE和底部電極之間可獲得柔韌性和高穩定性。




圖1 典型的電容式觸覺傳感器,石墨烯作為電極。(a)不同共形石墨烯電極的制造工藝示意圖和源自PMMA基,紫外線固化粘合劑介導和微形式轉移方法的三種石墨烯膜的SEM圖像;(b)基于MGrE的電容式壓力傳感器的示意圖,感測機構的示意圖和該壓力傳感器的抓握。


▍壓阻式傳感器

  由于一維石墨烯結構的高縱橫比有利于快速捕獲和釋放外部刺激信號。據Nakamura及其同事報道,以鎳絲為模板,可以得到一維空心管CVD石墨烯纖維(TGFs),并涂以PDMS作為電阻式應變傳感器的活性材料。在電荷傳導過程中,PDMS作為束間跳躍的屏障,使得基于TGFs的應變傳感器比基于多壁碳納米管(MWCNT) /PDMS復合材料的應變傳感器具有更好的傳感性能。




圖2 用于壓阻式壓力傳感器的典型1D石墨烯架構。(a)具有PDMS支持的石墨烯纖維的照片; (b)去除Ni后石墨烯/ PDMS中空管的橫截面視圖的SEM圖像; (c)隨機堆疊的靜電紡絲納米纖維的FESEM圖像; (d)對于不同的基板厚度,當彎曲到180μm的半徑時,傳感器在彎曲和響應曲線中的壓力響應測量示意圖; (e)在彎曲狀態下測試器件的壓力響應以及在1.4μm厚的PET基板上制造的器件的響應,對于不同的法向力,彎曲半徑為15至80μm; (f)附著在軟氣囊表面上的集成傳感器陣列的照片,通過擠壓運動施加壓力(頂部面板); 在復雜彎曲下測量的壓力數據分布,顯示沒有來自變形的壓力信號,例如起皺(底部面板)。


二維石墨烯薄膜因其透明性和靈活性,以及在光電子、發光二極管太陽能電池和傳感器等領域的廣泛應用,引起人們的廣泛關注。CVD法是目前應用最廣泛的制備高質量二維石墨烯薄膜的方法。徐和他的同事構建了一種基于多層CVD石墨烯薄膜的超薄柔性觸覺傳感元件,該傳感器是通過一種非常簡單的方法組裝而成的,該方法包括一個PET襯底和兩個未連接的石墨烯薄膜。良好的光學透明性使該傳感器具有廣泛的應用前景。




圖3 通過CVD獲得的2D石墨烯薄膜用于壓阻式壓力傳感器。(a)由2D石墨烯膜和PET基板組成的觸覺傳感器的制造過程的示意圖; (b)超薄,透明和柔韌的觸覺傳感器的光學照片。插圖:傳感器的幾何尺寸; (c)在5,10,15和20 mm的不同軸向距離下,設備對縱向位移的靈敏度。


基于三維多孔結構的石墨烯是用于觸覺傳感器中最常見的自支撐材料。基于石墨烯片之間的大堆疊界面和π-π界面相互作用,實現了超輕密度、柔韌性、高導電性、高機械強度等特性。Pang及其同事使用鎳泡沫作為模板和化學蝕刻方法來制造石墨烯多孔網絡(GPN)。由于GPN中的孔隙,復合材料作為壓力和應變傳感器分別在基于石墨烯泡沫的傳感器中表現出寬的壓力感應范圍和高的靈敏度。




圖4 3D石墨烯材料,金屬多孔材料作為模板,用于觸覺傳感。(a)用石墨烯多孔網絡結構制造壓力和應變傳感器的示意圖; (b)對應于不同步行/彎曲狀態和腕部血壓的相對阻力的信號變化。


基于仿生思路的傳感器,自然界中有許多通過自然選擇而形成的適應良好的層次結構,這些結構對生物體的生存至關重要。Shar-Pei狗皮膚的高維度圖案可以承受大的面內拉伸并提供觸覺感知,因此基于皺紋皺褶RGO電極具有高拉伸性和對應變不敏感的電阻曲線。



圖5 受動物和植物器官啟發的微結構為基于石墨烯的觸覺傳感器的活性材料的制備提供了有趣的想法。(a)使用Canny邊緣檢測比較Shar-Pei狗的皮膚和RGO皺褶之間的表面形貌; (b)連續手術機器人與制造的壓力傳感器,用于碰撞意識到經口機器人手術程序。


▍FET式傳感器

  FET器件每個部分的優化都可以增強器件的性能,也可以為高質量的觸覺傳感器提供機會。迄今為止,FET觸覺傳感器的大多數介電層是固體物質,其中半導體的電荷載流子傳輸功能主要發生在活性材料/介電界面處的少數分子層中。

  Khan等人構建了一種基于單電極模式摩擦電納米發電機(S-TENG)與石墨烯石墨烯觸控傳感器(GFET)共面耦合的石墨烯觸控傳感器。當任何物體接觸到S-TENG的摩擦層時,由于摩擦電效應會產生電荷,摩擦電效應可以作為柵偏置,在沒有任何外部柵電壓的情況下調節通道電流的傳輸。所制備的摩擦電子傳感器靈敏度≈2% kPa?1,檢測限<1kPa,響應時間≈30 ms。




圖6 通過將FET與摩擦電納米發電機組合在一起的高性能傳感器件。(a)石墨烯摩擦電裝置的示意圖; (b)石墨烯摩擦電觸摸傳感器的表征; (c)摩擦電GFET器件與聚(四氟乙烯)和Cu接觸的能帶圖。


/ 展望 /

  具有數字和智能讀出功能的多功能觸覺傳感器是現代電子皮膚應用所需要解決的重要問題。因此,構建高性能的觸覺傳感器陣列以及有效的模式識別算法顯得尤為重要。我們相信,在化學、物理、材料科學、微納加工、計算機科學等學科科學家的共同努力下,基于石墨烯的高性能觸覺傳感系統的潛在商業應用將很快成為現實。


Nano-Micro Letters 是上海交通大學主辦的英文學術期刊,主要報道納米/微米尺度相關的最新高水平科研成果與評論文章及快訊,在 Springer 開放獲?。╫pen-access)出版。


文章來源: nanomicroletters


https://mp.weixin.qq.com/s/TMY5rDPxD0r6OFtOvCSOvA




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