综述：用于压力传感应用的印刷石墨烯传感器：进展与未来展望

本综述系统评述了印刷石墨烯压力传感器的最新进展，重点介绍了丝网印刷（screen printing）、喷墨打印（inkjet printing）、激光烧蚀（laser ablation）和3D打印（3D printing）等制造技术。文章详细探讨了石墨烯及其衍生物（如GO、rGO）在柔性压阻式（piezoresistive）和电容式（capacitive）传感器中的应用，强调了其高灵敏度（sensitivity）、宽检测范围（detection range）和快速响应时间（response time）等优异性能。作者还讨论了传感器在可穿戴健康监测（wearable health monitoring）、人机交互（human-machine interaction）和工业传感（industrial sensing）等领域的应用潜力，并指出了当前面临的挑战和未来发展方向。

　　

2. 传感机制

压力传感器的传感机制主要包括压阻式、电容式和压电式三种原理。压阻式传感器通过外部压力改变材料的电阻，其灵敏度通常用灵敏系数（Gauge Factor, GF）来衡量，计算公式为GF = (ΔR/R₀)/ε，其中ΔR是电阻变化量，R₀是初始电阻，ε是应变。电容式传感器则通过压力改变电极间距或介电常数来调节电容，灵敏度S定义为S = (ΔC/C)/ΔP。石墨烯由于其独特的二维结构和优异的电学性能，在这两种机制中均表现出色。

2.1. 压力传感器参数

评价压力传感器性能的关键参数包括灵敏系数、线性度、工作范围、重复性和迟滞。石墨烯传感器在这些方面表现突出，例如，一些基于激光诱导石墨烯（LIG）的传感器实现了高达603 kPa^?1的灵敏度，工作范围可达0-200 kPa，响应时间仅96 ms。线性度通常用R²值表示，部分传感器可达0.996，表明其输出与输入压力间具有良好的线性关系。重复性指传感器在相同条件下多次测量的一致性，而迟滞则反映了加载和卸载过程中输出信号的差异，优化后的石墨烯传感器迟滞可低至2.1%。

2.2. 压阻传感机制

压阻式传感器依靠材料电阻随压力变化而工作。石墨烯的高导电性和机械柔韧性使其成为理想选择。例如，将石墨烯与聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合形成的多孔结构传感器，在0-2 kPa范围内灵敏度达59 kPa^-1，在2-20 kPa范围内为4.84 kPa^-1。这类传感器结构简单、易于制造，但存在温度敏感性和迟滞问题。通过微结构设计（如微圆顶、微金字塔）和材料复合（如与银纳米粒子、碳纳米管混合）可以显著提升性能。

2.3. 电容传感机制

电容式传感器通过压力改变电容极板间距或介电层属性来工作。采用石墨烯电极和结构化电介质（如微结构化PDMS）的电容传感器表现出高灵敏度和稳定性。例如，具有金字塔微阵列介电层的传感器在x、y、z轴上的灵敏度分别为56.47%、53.45%和90.39%每牛顿。这些传感器功耗低、稳定性好，但容易受到环境湿度的影响。

3. 传感器设计

传感器的性能很大程度上取决于其结构设计和材料选择。常见的微结构包括粗糙表面、多孔层次结构和多尺度分层结构，这些设计可以增强传感器的灵敏度和线性范围。例如，皱纹结构可以通过热收缩、表面能改变或掺杂嵌入来实现，而激光烧蚀等技术能够直接生成复杂的三维结构。

4. 印刷石墨烯传感器

4.1. 丝网印刷传感器

丝网印刷是一种高产率、低成本的制造技术，适用于在聚合物（如PET、PI）和织物基底上制造石墨烯传感器。通过优化油墨配方和印刷参数，可以制备出高灵敏度、高稳定性的传感器。例如，石墨烯/银纳米粒子复合油墨印刷的传感器在0-5 kPa范围内灵敏度达1.937×10^-4 Pa^-1。织物基底传感器则表现出良好的柔韧性和穿戴舒适性，适用于健康监测。

4.2. 喷墨印刷传感器

喷墨印刷是一种数字化、无掩模的印刷技术，能够实现高分辨率图案化。石墨烯油墨可通过功能化处理改善其打印适性。例如，喷墨打印的rGO/PVA混合电极在场效应晶体管中实现了0.23 cm2/(V·s)的迁移率。该技术适合制造透明、柔性电路，但存在喷嘴堵塞和需要后处理等问题。

4.3. 激光烧蚀传感器

激光烧蚀技术通过激光照射聚酰亚胺（PI）等碳前体直接生成石墨烯（LIG），过程快速且无需掩模。LIG传感器具有高导电性和多孔结构，灵敏度可达688.5 kPa^-1，响应时间仅0.3 ms。该技术可用于制造柔性、可穿戴的电子皮肤，但设备成本和能耗较高。

4.4. 3D打印传感器

3D打印技术能够制造复杂的三维结构传感器。例如，使用石墨烯/PDMS复合材料通过3D打印模具制成的传感器，灵敏度为0.0062 kPa^-1，工作范围1-600 kPa。该技术支持定制化设计，但材料选择和打印分辨率仍有局限。

5. 应用场景

石墨烯压力传感器广泛应用于多个领域。在可穿戴健康监测中，用于检测脉搏、呼吸、关节运动等生理信号；在人机交互中，作为电子皮肤（e-skin）赋予机器人触觉；在工业传感中，用于泄漏检测、压力监控等。此外，在食品工业中，可用于监测包装密封性和食品质量。

6. 当前挑战

当前面临的主要挑战包括：石墨烯质量与成本、长期稳定性、信号噪声、与环境因素的兼容性（如湿度）、生物相容性以及大规模生产的标准化。此外，集成无线通信和自供电系统也是未来需要解决的问题。

7. 未来展望

未来研究将致力于开发低成本、高产率的制造工艺，优化材料配方以提升传感器性能，并探索与人工智能（AI）和物联网（IoT）的集成。自供电传感系统、多模态信号检测以及先进封装技术将是重要发展方向。

8. 结论

印刷石墨烯压力传感器因其高灵敏度、柔性、低成本和大规模生产潜力，在健康和工业领域展现出广阔应用前景。通过不断优化制造技术和材料设计，有望解决当前挑战，推动其商业化进程。