一种还原氧化石墨烯柔性传感器
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作者:张铭瑞 牟春宇 赵剑南 钟雨眩 杭子轩
摘 要：石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的，只有一层原子厚度的二维晶体，具有光学性能、高热导性能、力学性能和室温铁磁效应等性能。石墨烯材料的发展使得传感器的发展如虎添翼。很多优质传感器的诞生也使生活和生产变得更加智能。本文基于石墨烯材料论述了石墨烯柔性传感器和压力传感器的研究进展。
关键词：石墨烯;传感器;压力;柔性传感器
传感器是一种可以感受到被测信息，并能将被测信息，按一定的规律转换成为电信号或其他形式的信息的检测装置，满足了信息的传输、处理、储存、显示、记录等要求。传感器具有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化的特点，成为了实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了知觉，让物体变得活了起来。通常根据传感器的基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。
1 还原氧化石墨烯压力传感器概述
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以 sp2 杂化轨道组成六角形蜂巢晶格的二维材料，且只有一个碳原子厚度。由于其独特的物理化学性质（如高表面积、良好的导电性、机械强度高、易于功能化等等），石墨烯在传感器方面的应用受到人们越来越多的关注。本文论述了石墨烯压力传感器的研究进展。
由于石墨烯优良的导电性能，作为压力传感器使用的时候，不需要额外制作电极，降低了器件结构的复杂性，而且具有天然的压阻效应。由于石墨烯厚度是nm尺度，可以直接制备到柔性基底上，转移到柔性基底上也十分便捷，所以在生物医学领域的压力检测方面具有非常不容小觑的应用潜力。已经有许多基于石墨烯的压力传感器的相关报道，但是灵敏度不够高。因此制备出一种测量范围更大灵敏度更高的石墨烯压力传感器非常必要。机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法等传统的石墨烯制备方法能制备高质量的石墨烯，但是这些方法存在一些问题，比如成本较高、制备时间较长、过程复杂、仪器太过昂贵等。
2 传感器制备
2.1 氧化石墨烯的制备
本文采用原位生成法实验进行氧化石墨烯的制备，将高锰酸钾作为氧化剂加入到石墨、硫酸和 Na3PO4的混合物中，反应生成氧化石墨.高锰酸钾和磷酸钠的组合使用使生成的氧化石墨氧化程度更高，结构更规整且易于在水中发生溶胀和层离.这种方法优点是原位生成磷酸，避免了使用高腐蚀性的硝酸，用弱腐蚀性的磷酸。并且用高锰酸钾代替氯酸钾减少了有毒气体的排放，提高了制备的安全性和环保性。并在1∶9的磷酸和硫酸的混合物中进行反应，可提高氧化效率。此方法不涉及大量放热，温度易于控制，无有毒性气体逸出，在大规模制备氧化石墨烯材料中被广泛采用。
2.2 石墨烯传感器的制备
取多层氧化石墨烯粉末置于玻璃杯中，在玻璃杯中加入10ml的去离子水溶液;超声2-3小时;将氧化石墨烯溶液抽滤到表面毡上;用氢碘酸溶液浸润后放入箱式高温炉，温度调到80摄氏度干燥两到三小时;涂抹导电银浆，插入导线，放入箱式高温炉固化。
2.3 石墨烯薄膜的制备
在压片机上放入称量好的石墨烯并用称量纸隔离，使石墨烯被压片机所加载的力进行一定时间的压制，揭开称量纸，小心剥离初步得到的石墨烯片，将石墨烯片使用裁刀裁成20×20mm的形状，得到最终制成的石墨烯片。
3 柔性传感器分析
3.1 石墨烯柔性传感器机理
石墨烯柔性传感器的工作原理是利用了石墨烯的压变效应。传感器佩戴在人体上或者某些精密仪器上时，当应变一发生，柔性传感器迅速将力学信号传出，石墨烯独特的层与层结构感受到人体或仪器传来细微的应变，应变使层与层之间的距离以及接触面积发生改变，从而引起接触电阻的改变，再通过仪器将实时的电阻保存下来，通过数据处理得到实时的电阻变化率，再将变化率与时间绘制成曲线，由此转化为人们浅显易懂的图形数字信号或者可显示应变变化的图形，使其易于观察人体或机器的变化与识别人体疾病或机器损伤，进而来进行人体健康的检测或机器的健康监测。
3.2 柔性传感器的应用
柔性物理测控技术在航空航天材料、医疗设备，船舶、宇宙工程、电学应用、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、数字多媒体娱乐、体育器材、服装复合材料等技术领域得到越来越广泛的应用，慢慢的进入人们的生活。而且柔性传感器由于它的适用范围及其广泛，现在已经到了一个发展柔性传感器的好时代。
譬如在柔性传感器在医疗设备中的应用，就是在衣服中放置柔性传感器。传感器设置为里外两层。外层就是感知外部环境比如天气的变化，湿度，温度的变化这种外界因素，内层用于检查被检查者的生命特征即运动状态。实时反应被检测者的各项指标，并可推算出被检测者的劳累程度。如果穿着者有任何不適，衣服会打电话给穿着者的医生并向其传输身体各项指标数据。
4 结语
石墨烯柔性传感器可以应用于跟踪人体活动与人体健康检测，对于微小应变也有灵敏的反映，具有高灵敏度，优秀的力学性能。实验中制备氧化石墨烯过程繁琐，但制备的氧化石墨烯纯度高，节约成本，自己制备出原材料，材料的性能更好。传感器本身有着极高的要求例如：必须适应大量却微小的应变，对重复循环具有高耐久性，快速响应和低蠕变变形，对微小形变具有高敏感性，传感器自身不能妨碍或干扰接头的自然运动等，这些要求提高了精准度的同时也带来了很多挑战。
参考文献：
[1]张倩，等.氧化石墨烯的制备还原及应用进展[J].红外与毫米波学报，2019（01）：79-90.
[2]周超，等.石墨烯在传感器中的应用研究进展[J].材料导报，2014（28）：15-20.
[3]黄玉垚.石墨烯传感器将成安全领域新亮点[J].网络安全和信息化，2017（04）：11-12.
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