基於石墨烯的多感官電子皮膚傳感器在惡劣環境中感知世界

2020-10-09 柔智燴

基於石墨烯的多感官電子皮膚傳感器在惡劣環境中感知世界

隨著物聯網（IoT）和萬物聯網（IoE）領域的不斷發展，可與各種環境集成的小型傳感器已受到研究人員的極大關注。溫度在所有生命學科中都起著重要作用的基本參數之一是溫度，因此是健康監測設備不可或缺的一部分，環境監測，人造電子皮膚（電子皮膚），

通常，傳感器依賴於活性材料的特定物理，機械或化學性質的變化來檢測變化，該變化也決定了傳感器的應用。柔性和可拉伸電子設備最近帶來了無數機會和新興應用。金屬，金屬氧化物和陶瓷是傳感器的核心。但是，它們在新興應用中由於其龐大，不靈活和易碎而自然受到限制。因此，薄膜金屬，石墨烯，碳納米管（CNT）和碳纖維被用於天然柔性聚合物材料中，例如ECOFLEX，聚對苯二甲酸乙二酯（PET），聚醯亞胺（PI），紙張和聚二甲基矽氧烷（PDMS），以使其具有物理柔性堅固的傳感器可用於多種應用。

1、石墨烯電子皮膚傳感器用於惡劣環境應用的優勢

而已知石墨烯具有優異的性能，例如200000 cm 2（V s）-1的高電子遷移率，2000-5300 W m -1  K -1的出色導熱率，高比表面積2600 m 2  g -1的模量和大約1000 GPa的很高的楊氏模量等。這些特性促使人們展示了石墨烯作為活性電子器件之外的傳感應用（氣體，流量，壓力，溼度和溫度）的活性材料。

基於此，來自KAUST的研究人員提出石墨烯作為在惡劣環境應用中的多傳感器柔性平臺的候選對象。有趣的碳形式石墨烯包括相互連接的碳原子六邊形環層，該結構可產生獨特的電子和物理特性，並可能用於許多應用。

"石墨烯多年來一直被認為是一種奇蹟材料，但是在惡劣的環境條件下仍未探索其應用，"作者說。

2、關鍵技術

在單張柔性聚醯亞胺板上設計了用於高溫（工作範圍高達650°C），高鹽度和化學苛刻環境（pH感應）等惡劣環境的傳感器。高溫石墨烯傳感器的靈敏度比基於Pt的傳感器高260％。溫度傳感器作用於金屬和熱敏電阻之間，從而可以根據溫度對區域進行分類（<210°C線性，> 210°C直至650°C，二次方）。與現有的非石墨烯溶液相比，鹽度和pH感測性能得到改善。柔性平臺上的石墨烯和柔性聚醯亞胺片上的雷射誘導石墨烯的簡單無轉移製造技術為將來的應用提供了苛刻的環境監測和多傳感器石墨烯蒙皮的潛力。

新型堅固的傳感器依靠石墨烯電阻的變化來響應溫度，鹽度和溶液酸度（以pH計）的變化。該系統有可能監視其他變量，包括壓力和水流量。

研究人員指出，可以將多個環境測量參數變量的感應合併到單個設備中，從而大大提高了其實用性。

石墨烯被轉移到聚醯亞胺聚合物的柔性板上，並且可以將其連接到適當的電子系統，以收集和傳輸針對環境變量進行監視的信號。可以使用標準藍牙技術無線傳輸數據。

圖。1.在（a）PDMS作為最終襯底上無轉移地製造石墨烯傳感器（右插圖顯示了在對石墨烯進行構圖後在Cu上形成圖案的傳感器，左圖顯示了PDMS上的透明柔性傳感器）和（b）雷射誘導PI上的石墨烯（LIG）傳感器。比例尺為4毫米。

實際最大的進步是系統的彈性，使其能夠承受高達650攝氏度的溫度，高鹽度，變化的壓力，強烈的輻射，活性化學物質，高溼度或這些條件的任意組合。傳感器還可以提供靈敏度方面的優勢，例如，相對於現有替代方案，溫度傳感的靈敏度提高了260％。

用於pH值（左上），鹽度（左下）和溫度（右）的石墨烯傳感器的結構。

正如作者海珊所解釋的那樣："我們的研究首次明確顯示出石墨烯作為多種惡劣環境條件下的傳感材料的前景。"

3、需求潛力

現實世界中可能的應用包括監視海水，體液，石油和天然氣工業，太空探索的狀況，以及涉及暴露於會損壞現有傳感器的化學物質的許多情況。

該傳感器的薄型結構和靈活性也使其適用於潛水員和運動員的可穿戴技術，或醫療應用。

將電子設備與物聯網（IoT）和萬物聯網（IoE）技術聯繫起來的持續發展將為其堅固而靈活的傳感器帶來許多需求和機遇。

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