超薄石墨烯应变传感器阵列：毫米级分辨率、高灵敏度多功能传感
2025-10-19 16:08:15   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，柔性电子技术不断发展，并在人机交互、医疗健康、军事系统、工业监测和机器人触觉等领域得到广泛应用。其中，基于石墨烯的柔性应变传感器日益受到关注。石墨烯是一种具有六方蜂窝状结构的二维材料。在拉伸载荷下，其六方晶格会发生部分结构畸变，导致电子能带结构和电导率发生变化，进而引起电阻的显著改变，这使其成为高灵敏度应变传感应用的理想材料。利用这些特性，基于石墨烯的高分辨率触觉传感器可集成到机器人“指尖”，使其在与物体和表面交互时具备类人感知能力。然而，石墨烯柔性传感器阵列的实际应用面临两大瓶颈：现有制备方法难以实现高空间分辨率，以及缺乏面向实际应用的系统级集成。

据麦姆斯咨询报道，针对上述挑战，深圳技术大学、天津师范大学，以及哈尔滨工业大学联合研究团队开发出一种基于超薄石墨烯应变传感器阵列的全集成平台。该平台构建在超薄聚酰亚胺（PI）基底上，兼具高空间分辨率、机械柔顺性和高应变灵敏度优势，可有效识别局部压力、监测动脉脉搏波形并区分表面曲率，展现出多功能传感能力。这项研究为开发适用于下一代可穿戴健康监测、电子皮肤及软体机器人触觉系统的超薄、高密度应变传感器阵列，提供了可扩展的技术发展路径。相关研究成果以“Ultrathin Graphene Strain Sensor Arrays for High-Sensitivity Multifunctional Sensing with Millimeter-Scale Resolution”为题发表在Advanced Sensor Research期刊上。

这项研究提出一种基于超薄石墨烯应变传感器阵列的全集成平台。该阵列采用化学气相沉积（CVD）生长的石墨烯，通过自上而下的微加工技术，制备在5 µm厚的聚酰亚胺基板上。阵列采用4 × 4传感单元布局，单元间距为1 mm（单元尺寸为300 µm），器件密度约为64个单元/cm²，可实现毫米级空间分辨率。该平台集成了完整的开发流程，包括传感器阵列制备、柔性电路设计、信号控制和数据采集。

图1 石墨烯应变传感器阵列的结构、传感机制及制备工艺

图2 数据采集系统

研究人员采用定制设计的数据采集（DAQ）板对应变传感器阵列进行控制和监测，验证了其批量制备的可行性及精确的电信号读取能力。该阵列的电学和力学性能评估结果表明：器件具备优异的机械耐久性，经过5000次弯曲循环后仍保持稳定的传感性能；器件应变灵敏度表现优异，在0.8%外加应变下，应变系数高达144；动态测试结果显示，器件响应时间和恢复时间分别为0.2 s和0.16 s；局部载荷下的空间分辨触觉映射测试表明，该阵列能够区分直径小至1 mm的接触点，串扰极小且信号定位清晰，验证了其毫米级空间分辨率。

图3 石墨烯应变传感器阵列的应变感应性能

图4 石墨烯应变传感器阵列的空间分辨率

通过实时动脉脉搏监测、圆柱物体曲率区分等实际应用演示，研究人员进一步证明了该传感器在复杂动态场景下的稳定性能。这些结果凸显了超薄基板在提升机械适应性和传感精度方面的作用。所提出的平台为可穿戴电子、机器人皮肤和人机交互界面中的柔性传感提供了可扩展、可靠的解决方案。研究人员表示，未来的研究将聚焦于阵列规模化扩展和片上信号处理技术，以实现高通量、智能化的触觉传感。

图5 基于石墨烯应变传感器阵列的脉冲信号监测

图6 石墨烯应变传感器阵列对不同表面曲率物体的响应性能

综上所述，这项研究提出的超薄石墨烯应变传感器阵列，与现有的柔性应变传感器相比展现出更优异的综合性能：兼具高空间分辨率、良好机械柔顺性和高应变灵敏度，能够可靠检测毫米级局部形变、动脉脉搏波等微弱生理信号，以及不同的表面曲率。借助于超薄柔性基板、高密度传感器阵列设计和定制化数据采集接口，该平台实现了系统级集成，并在可穿戴健康监测、软体机器人皮肤及智能人机交互领域具有广泛适用性。这项研究为满足下一代柔性电子系统日益增长的需求，提供了一种可扩展且可靠的多功能共形应变传感器阵列解决方案。

论文信息：https://doi.org/10.1002/adsr.202500089

延伸阅读：

《人形机器人技术及市场-2025版》

《可穿戴传感器技术及市场-2025版》

《触觉技术及市场-2024版》

《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》