超薄石墨烯应变传感器阵列：实现毫米级分辨率的高灵敏度多功能传感新策略

本文报道了一种基于超薄石墨烯应变传感器阵列的全集成传感平台，通过化学气相沉积（CVD）石墨烯与微加工技术，在5 μm厚聚酰亚胺（PI）基底上制备出4×4阵列（单元间距1 mm，密度≈64 units cm?2），展现出144的高应变系数（GF）、0.2 s快速响应时间及5000次弯曲耐久性，为可穿戴健康监测（如动脉脉搏波形分析）和软体机器人触觉感知提供了系统级解决方案。

　　

摘要

近年来，柔性电子技术在人类-计算机交互、医疗健康、军事系统、工业监测和机器人触觉等领域广泛应用。其中，石墨烯基柔性应变传感器因其独特的二维六方蜂窝结构而备受关注。在拉伸载荷下，石墨烯的六方晶格会发生部分结构破坏，导致电子能带结构和电导率变化，从而引起电阻显著变化，使其成为敏感应变传感应用的理想材料。基于这些特性，高分辨率石墨烯触觉传感器可集成于机器人“指尖”，实现类人感知能力，促进多功能物体操纵并降低滑移或操作错误风险。柔性基底的设计同样关键：超薄基底能够紧密贴合弯曲表面，减少弯曲时的机械应力，提高应变传递效率，从而增强器件耐久性并实现细微表面曲率检测。然而，实现高空间分辨率与保持超薄基底之间存在固有矛盾，因为厚度减小通常使传感器阵列的微/纳米加工复杂化。

1 引言

当前柔性传感器阵列主要有两种制备策略：模塑法和印刷法。模塑法虽能实现高灵敏度和线性度，印刷法可制备高灵敏度（如3.997 kPa^?1）的阵列，但两者在空间分辨率上均存在根本限制。这是由于难以在大面积柔性基底上精确定义微米级特征并保持精确对准，且油墨扩散、表面粗糙度和对准精度不足等问题进一步加剧了这一挑战。因此，这些方法不适用于需要毫米或亚毫米级触觉分辨率的应用。

除加工挑战外，另一个关键障碍是缺乏对全集成柔性传感器阵列系统的关注。特别是对系统级考虑（如便携式数据采集硬件、柔性电路集成和可扩展互连策略）的重视不足，阻碍了传感器阵列向紧凑、多功能平台的转化。为解决这些问题，本研究提出了一种基于超薄石墨烯柔性传感器阵列的全集成系统，涵盖从器件制造、柔性电路设计到信号控制和数据采集的完整开发流程，提供统一且可扩展的传感解决方案。

2 实验与系统设计

2.1 传感器设计与制备

超薄、柔性、高分辨率应变传感器阵列的制备过程如图1所示。16个独立应变传感器位于聚酰亚胺（PI）基底上。传感机制基于石墨烯薄膜的总电阻由两个主要组成部分：受掺杂水平控制的纳米片内电阻和由相邻纳米片间耦合决定的纳米片间电阻。在施加应变时，应变改变了纳米片内的无序和缺陷程度，同时拉伸并部分分离互连的纳米片网络，从而改变电阻。应变释放后，纳米片堆栈重新连接，导电通路恢复，电阻恢复到原始状态。

制备过程中，非光敏PI前体（ZKPI-305）旋涂在0.5 mm厚的透明硅酸盐玻璃基底上，并在高达350°C的温度下热固化，形成约5 μm厚的PI薄膜。原子力显微镜（AFM）表征显示，在10×10 μm²区域内，均方根粗糙度（R_q）和平均粗糙度（R_a）分别为0.473 nm和0.378 nm，与化学机械抛光后的SiO₂薄膜粗糙度相当，证实PI薄膜具有优异的表面平整度，有利于石墨烯与柔性基底的强粘附。

器件制备采用自上而下的光刻工艺：通过电子束蒸发沉积Cr/Pt（5/50 nm）电极，并通过剥离光刻图案化；采用标准湿法转移技术将化学气相沉积（CVD）生长的石墨烯薄膜（XFNANO）转移到PI基底上；通过氧等离子体反应离子刻蚀（RIE）图案化石墨烯通道。拉曼光谱和扫描电子显微镜（SEM）评估证实石墨烯质量良好：拉曼光谱显示在≈1580 cm^?1处有显著的G峰，在≈2700 cm^?1处有尖锐的2D峰，而D峰（≈1350 cm^?1）可忽略不计（I(D)/I(G) < 0.05），表明为高质量CVD石墨烯；SEM显微照片显示皱纹和局部缺陷，以及孤立的多层域，这归因于CVD生长过程中的二次成核和湿转移过程中形成的皱纹和折叠引起的重叠。阵列在300°C真空中退火2小时，最后用0.5 μm厚的LOR抗蚀剂层钝化暴露的石墨烯，完成器件制备。相邻单元的水平间距为1 mm，垂直间距为1.2 mm。

对于触觉应用，在完成的传感器阵列上浇注一层2 mm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）。PDMS的弹性特性能够将外部机械应变有效传递到底层石墨烯通道，同时作为保护封装层增强重复变形下的耐久性；其机械顺应性与生物组织密切相似，便于与人体皮肤或机器人指尖等弯曲表面实现共形集成。

2.2 信号采集模块设计

应变传感器阵列的控制和数据采集使用定制设计的数据采集（DAQ）板实现，如图2a所示。DAQ板通过零插入力连接器连接到电极引线（ELO）板。ELO板实现为柔性印刷电路（FPC），应变传感器阵列使用导电银浆安装其上。DAQ板包括三个主要功能模块：微控制器（STM32F103RCT6）、电源管理和数据传输电路，以及电阻测量单元。DAQ板集成USB转串口芯片，可通过USB接口与PC进行电源输送和双向数据通信。

性能与验证

该平台集成了完整开发流程，包括传感器阵列制造、柔性电路设计、信号控制和数据采集。耐久性测试显示在5000次弯曲循环后性能稳定。应变灵敏度测量显示在0.8%应变下最大应变系数（GF）为144，动态测试得到0.2 s和0.16 s的快速响应和弛豫时间。该平台可靠地解析了局部压力、监测动脉脉搏波形并区分表面曲率，展示了其多功能传感能力。这些结果证实了所提出平台在可穿戴健康监测、软机器人和下一代柔性电子应用中的实际可行性。

总体而言，该器件提供了空间分辨率、机械可靠性和灵敏度的良好平衡。实际演示（包括实时动脉脉搏监测和圆柱物体曲率区分）进一步说明了传感器在复杂动态场景中的稳健性能。这些结果验证了制造策略，并建立了适用于下一代可穿戴健康监测、电子皮肤和软机器人触觉系统的超薄高密度应变传感器阵列的可扩展途径。