- 一文讀懂6種主要的石墨烯傳感器
- 來源：傳感器技術 發表于 2022/10/14
氣體傳感器
基于石墨烯的氣體分子檢測傳感器的工作原理是測量材料導電率的變化。基于石墨烯的氣體傳感器的工作原理是在石墨烯表面吸附氣體分子，作為電子的供體或受體。
研究表明，用石墨烯可以測量傳導的量子尺度變化。考慮到這一點，將這些傳感器推向最佳水平以檢測單個氣體分子的可能性似乎是可信的。這種最終的靈敏度可能與幾個因素有關，包括測量時的溫度和目標氣體的流速。
在這一應用中，石墨烯擁有作為一種極低噪聲材料的優勢。正因為如此，即使在沒有載流子和多出幾個電子的極限情況下，石墨烯的載流子濃度也能夠發生很大的變化。除了這個優點之外，石墨烯在這個應用中還可以在單晶上創建四探針器件。這保證了任何接觸電阻對限制靈敏度的影響都被消除了。
化學傳感器
也有研究表明，石墨烯是電解質柵極配置中有效的化學傳感器。基于石墨烯的頂柵絕緣體可以在電解質中制造薄至1至5納米，濃度為幾毫摩爾。即使是最好的、采用原子層沉積(ALD)的頂柵石墨烯場效應晶體管(FET)也無法與這些水平相匹配。
在電化學DNA傳感器、葡萄糖傳感器等氧化酶生物傳感器的電極材料，以及環境分析，特別是重金屬離子檢測方面，基于石墨烯的電化學傳感器已經被開發出來。
研究表明，石墨烯在酶的直接電化學、小生物分子的電化學檢測和電分析三個方面都優于碳納米管。盡管取得了這一成功，但目前還不能批量生產這些應用所需的石墨烯，盡管這種情況正在迅速改變。
光學傳感器
光電傳感器的市場與透明導體中的銦錫氧化物（ITO）替代物基本相同。石墨烯的高導電性和近乎透明的特性使其成為光電電池和光電傳感器中透明電極的一個吸引人的選擇。
三星已經制造出了一款使用石墨烯替代ITO的觸摸屏顯示器產品，不過目前還不清楚這究竟是一個商業企業，還是僅僅展示了基于石墨烯的觸摸屏顯示器是未來的一種可能性。不管是哪種情況，石墨烯相對于ITO的關鍵優勢在于，它與柔性屏幕的兼容性更強。
基于石墨烯的光電探測器的工作原理是測量光子通量。它通過將吸收的光子能量轉換為電流來測量。與基于IV族和III-V族半導體的傳統探測器相比，石墨烯基光電探測器具有更寬的工作波長范圍。此外，石墨烯擁有比其他材料更優越的載流子遷移率，這意味著它的響應時間比其他光電探測器的響應時間快得多，這應該會轉化為超快的光學傳感器。
磁場傳感器
最初，石墨烯似乎并不是磁場傳感器應用的合適選擇。典型的InAs傳感器的室溫霍爾系數要遠遠好于基于石墨烯的傳感器，但是，當我們清楚石墨烯的厚度只有0.34納米，而InAs的厚度為12納米時，就會發現，與InAs相比，石墨烯確實具有吸引人的霍爾效應電阻。
此外，與典型的二維電子氣體器件不同，石墨烯不必隱藏在額外的層下，這確實使其在霍爾效應傳感方面具有一定的優勢。
雖然最近的一些研究在一定程度上克服了這個問題，但基于石墨烯的磁場傳感器在室溫下電子的熱激發比石墨烯的這種磁阻效應更占優勢。
機械式傳感器
機械傳感器可以檢測物理特性的變化，例如，通過感知影響材料的物理變形來檢測材料何時受到了壓力。機械傳感器還能夠檢測諧振頻率的變化，以及測量質量、力、壓力、應變、速度、加速度和重量。
研究人員此前已經表明，石墨烯可以成功地用作應變和壓力傳感器。在基于石墨烯的應變和壓力傳感器中，利用石墨烯作為一種活性材料來感知物理信號，包括應變和壓力。由于石墨烯材料具有較高的導電性，因此常被用作石墨烯基應變和壓力傳感器的導電層或電極。
傳統的石墨烯基應變和壓力傳感器的傳導方式包括電阻式、電容式和壓電式。電阻式傳感器將外力轉化為電阻的變化，通過電信號的改變，可以直接被預埋的檢測電路檢測到。它通過電阻的變化獲得電阻傳感信號，電阻效應是石墨烯的特性。
由于石墨烯的高導電性和良好的機械性能，石墨烯基電阻傳感器獲得了超高的靈敏度。作為一種常見的應變和壓力傳感器，石墨烯基電阻傳感器的優點很多，包括：檢測范圍廣，簡單的設備建設信號測試電容式傳感器可以通過將機械刺激信號轉換為位移信號來檢測不同形式的力。位移的變化會導致電容的變化，由于石墨烯具有高水平的導電性、吸引人的機械性能和大的比表面積，因此它是電容式傳感器中電導體和電極的絕佳選擇。
高靈敏度和快速響應的壓電材料被廣泛應用于壓力傳感器中，將壓力轉換成電信號。壓電材料在機械變形時，會產生電荷，而電荷的作用也是相反的，所以當外部電場施加到壓電材料上時，壓電材料會發生機械變形。對此的研究表明，石墨烯可以被工程化，使其具有壓電特性。
研究還表明，單層石墨烯可以實現負壓電效應，雙層和多層石墨烯可以實現正壓電傳導效應。基于石墨烯的壓電傳感器由于具有超快的響應時間和超高的靈敏度，已被用于檢測連續靜壓信號和垂直振動。
柔性傳感器
石墨烯基材料在柔性和可拉伸的應變和壓力傳感器、光電探測器、霍爾傳感器、電化學傳感器和生物傳感器方面已經顯示出潛力。
由于石墨烯固有的柔韌性，當對其施加機械應變時，其電性能不會降低。因此，石墨烯一直被認為是制造高伸縮性和柔性傳感器和其他電子器件的理想材料。
對這一領域的進一步調查研究表明，柔性應變傳感器可以由壓阻石墨烯、微流體液態金屬和可拉伸151彈性體制成。為了實現石墨烯傳感元件的柔性電接觸，將液態金屬放入微流體通道中作為互連材料。
柔性應變傳感器在可穿戴電子產品中可能會有應用，特別是在運動和鍛煉過程中的監測目的。目前已有研究人員利用一種具有壓縮特性的石墨烯基復合纖維開發出了這種類型的柔性應變傳感器，并將其集成到可穿戴式應變傳感器中。該傳感器結構由以聚氨酯為核心纖維、聚酯纖維為高彈性紗線組成的。
- 如果本文收錄的圖片文字侵犯了您的權益，請及時與我們聯系，我們將在24內核實刪除，謝謝！
