文章来源：OIL实验室

本文介绍了一种基于以多孔镍为基础的三维多孔石墨烯/PDMS复合材料的压阻传感器。相较于已发表的成果，该传感器显示出相对更高的灵敏度 15.9 kPa-1和更宽的线性区域：60 kPa。下图是文章中对本文压阻传感器和其他文章中传感器相关性质的对比图。

图1. 性能对比总结图

该项目制备多孔石墨烯的方法较为常规，是通过再多孔镍上利用化学气相沉积（CVD）得到石墨烯，之后灌入PDMS，待其固化后将镍刻蚀掉即可。通过SEM可以发现石墨烯孔的大小在百微米级别。整个器件显示三明治结构――最底层是聚酰亚胺膜和金电极，中间一层是PDMS和多孔镍长出的石墨烯，最上面一层是聚乙烯。

图2. 制备方法

图3. 器件结构

同时本文也对比了上述流程步骤顺序对传感器性能的影响：如果先刻蚀镍再灌入PDMS，灵敏度会骤减。因为在原本石墨烯管的中空结构被PDMS占满了，形变的余地就大大减小了。下图非常直接的做了对比。

图4. 调整制备顺序后的性能测试结果

与此同时，文章体现的实验设计流程十分具有借鉴意义。文章改变了如下参数：

1. 改变石墨烯的生长时间：3分钟，5分钟，15分钟和30分钟（PDMS基底与固化剂比例=1/7不变）。通过改变石墨烯的生长时间，石墨烯的层数得到改变，对应依次是：4层，6层，12层和24层（这一数据是通过拉曼光谱得出的）。通过实验发现，生长时间越长的石墨烯制备的传感器的导电率越低，这与之前的文章相符合，但这一参数对传感器本身对材料的应力应变曲线并没有明显影响。

2. PDMS基底与固化剂的比例：5:1，7:1，10:1和20:1（石墨烯生长时间均为5分钟不变）。通过改变这一参数，可以改变整个材料的机械性能――杨氏模量。经过测量发现，该材料的杨氏模量的改变范围在0.126至0.052MPa之间；同时材料的导电性基本不变。

通过以上两点可以发现，材料的电学性能和机械性能可以独立调控。

这两个参数对传感器的灵敏度和线性区域都可以得到调控：实验发现，高电阻的传感器有更高的灵敏度――从0.051 kPa-1到11.1 kPa-1，但在杨氏模量不变的时候，线性区域也保持不变（始终为15kPa）;而当杨氏模量减小的情况下，线性区域也得到增加――从0.052MPa增加到0.126MPa――当然这一过程会减小传感器的灵敏度，因为正如之前探究制备过程对传感器灵敏度影响实验所揭示的那样：材料硬度增加时灵敏度会减小，但灵敏度可以通过增加石墨烯的生长时间从而增加传感器的阻值得到提升。

图5. 改变以上两参数后材料机械性能，灵敏度与线性区域的测量结果

因此，通过调整以上两个参数，可以使得传感器的灵敏度和线性区域都得到提升――这也就有了前文所述的最佳数据（对应的石墨烯生长时间是30分钟，PDMS基底与固化剂的比例是5/1）。同时该器件的响应时间也较短，为1.2ms；稳定性也很好，在26000次测试后仍然能够基本保持不变。

为了保证器件在真实的可穿戴设备或电子皮肤上能得到应用，该项目也对不同弯曲状态及同一弯曲状态不同曲率半径（25mm和50mm）下（如下图所示）器件的响应情况进行了测试。实验发现，弯曲对压力的电流相应有影响，但影响不算大；但是对渗流阈值有明显影响。由于在渗流阈值附近材料的电阻变化明显，因此，在实际应用中，应注意如果有弯曲情况出现，要避免最开始导电填充物的质量分数或体积分数不在渗流阈值附近，否则在实际使用过程中器件的整体性能会有很剧烈的变化。

图6. 不同弯曲情况测试示意图

图7. 弯曲测试对压力的电流响应和渗流阈值的影响

文中也指出了该复合材料的厚度对弯曲条件下器件的性能有影响。较厚的材料在弯曲试验中更容易与基底脱落，因此大大减小了器件的稳定性和重复度。

文章也将这一器件在人体脉搏测量和机器人触觉上进行了应用。

图8. 应用举例