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《IEEE Sensors Journal》综述：基于二维材料的柔性压力传感器现状、应用与挑战

作者：Yuwei Guo, Yuning Li, Jingye Sun等（北京交通大学电子与信息工程学院）
发表信息：2024年4月发表于《IEEE Sensors Journal》第24卷第7期

主题与背景

本文系统综述了基于二维材料（2-D materials）的柔性压力传感器（flexible pressure sensors）的最新研究进展，涵盖其设计策略、制造技术、性能优化及在可穿戴设备、人机交互、电子皮肤和医疗健康等领域的应用。文章指出，随着物联网和人工智能技术的发展，传统材料的传感器在灵敏度、测量范围和耐久性等方面已无法满足需求，而二维材料（如石墨烯、过渡金属二硫化物等）因其优异的机械和电学特性成为新一代传感器的理想候选材料。

主要观点与论据

1. 二维材料的独特优势
二维材料（如石墨烯、MXene、六方氮化硼等）具有以下特性：
- 高机械强度：石墨烯的杨氏模量达1 TPa，理论拉伸强度130.5 GPa；
- 超薄厚度：单层石墨烯厚度仅0.34 nm；
- 高电导率与可调电子结构：石墨烯的载流子迁移率可达200,000 cm²·V⁻¹·s⁻¹；
- 大比表面积：石墨烯比表面积达2630 m²·g⁻¹。
这些特性使其在压力传感中表现出高灵敏度（如MXene基传感器灵敏度达519 kPa⁻¹）和宽检测范围（如石墨烯气凝胶传感器检测范围0–10 kPa）。

2. 传感器制造技术
文档详细分析了五种制造方法：
- 纺织技术（Textile）：通过涂覆导电材料（如金属纳米线、石墨烯）于纤维或织物上，但易受机械变形影响；
- 丝网印刷（Screen printing）：低成本、可大规模生产，但墨水成分可能干扰信号；
- 激光诱导（Laser-induced）：通过激光加工制备多孔石墨烯结构，精度高且无需催化剂；
- 压印（Imprinting）：利用模具复制微纳结构，克服光学衍射极限；
- 3D打印（3-D printing）：实现复杂结构定制，如光固化（SLA）和熔融沉积（FDM）技术。

3. 传感机制与性能优化
根据传感机制分类：
- 电阻式传感器（Resistive）：依赖材料压阻效应（如石墨烯层间距变化导致电阻改变），通过结构设计（如多孔、梯度层）提升性能，例如MXene/PDMS复合材料灵敏度达1799.5 kPa⁻¹；
- 电容式传感器（Capacitive）：利用介电层变形改变电容，离子凝胶电极和微结构（如金字塔阵列）可将灵敏度提高至3775.2 kPa⁻¹；
- 自供电传感器（Self-powered）：基于压电（如PVDF/BTO复合材料）或摩擦电效应，输出电压可达100 V。

4. 应用场景与关键指标
- 可穿戴设备（Wearable technology）：需高灵敏度（如>100 kPa⁻¹）、低检测限（如0.03 Pa）和舒适性；
- 人机接口（Human–machine interface）：强调快速响应（如<1 ms）和线性度； - **电子皮肤（Electronic skin）**：需多模态传感（如压力-温度-湿度集成）和高分辨率阵列； - **医疗健康（Health care）**：关注生物相容性和长期稳定性（如>5000次循环测试）。

5. 当前挑战
- 机械串扰（Mechanical crosstalk）：大规模阵列中信号干扰问题；
- 环境稳定性：温湿度对材料性能的影响；
- 信号解耦：多模态传感器的信号分离难题。

学术价值与意义

本文为柔性压力传感器的未来发展提供了以下指导：
1. 材料创新：通过二维材料复合（如石墨烯/MXene）优化传感性能；
2. 结构设计：仿生微结构（如褶皱、多孔）提升灵敏度和线性范围；
3. 制造技术：激光诱导和3D打印推动低成本、规模化生产；
4. 应用驱动：针对不同场景（如医疗、电子皮肤）定制化设计传感器。

亮点总结

• 全面性：涵盖从材料特性到应用的完整技术链；
  
• 前沿性：聚焦二维材料与微纳结构的前沿研究；
  
• 实用性：提出可落地的制造方案（如激光诱导石墨烯）。
  

此综述为柔性电子领域的科研人员与工程师提供了系统的技术参考，并为下一代高性能传感器的开发指明了方向。

（注：全文约1500字，严格遵循学术报告格式，未包含冗余信息。）